交錯(cuò)式PFC技術(shù)趨勢(shì)及新穎的單芯片交錯(cuò)式PFC控制器的應(yīng)用
近年來，在一些對(duì)外形因數(shù)有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，如纖薄型液晶電視或筆記本適配器等，一種新興的功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)-交錯(cuò)式PFC的使用越來越多。所謂交錯(cuò)式PFC，是在原本單個(gè)較大功率PFC段的地方并行放置2個(gè)功率為其一半的較小功率PFC段來替代，參見圖1。這兩個(gè)功率較小的PFC段以180°的相移交替工作，總輸入電流(IL(tot))和輸出電流(ID(tot))紋波都將大幅降低。
雖然交錯(cuò)式PFC使用相對(duì)較多的元器件，但卻擁有很多優(yōu)勢(shì)。例如，150 W的PFC比300 W PFC更易于設(shè)計(jì)、便于采取模塊化途徑、散熱更好及可以擴(kuò)展臨界導(dǎo)電模式(CrM)應(yīng)用范圍等。另外，兩個(gè)不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM) PFC看上去象一個(gè)連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM) PFC，簡化了電磁干擾(EMI)濾波設(shè)計(jì)，減小輸出均方根(RMS)電流，從而減少損耗及發(fā)熱，提高設(shè)計(jì)的可靠性。尤為值得稱道的是，交錯(cuò)式PFC支持使用尺寸更小的元器件，從而利于纖薄設(shè)計(jì)，增強(qiáng)產(chǎn)品賣點(diǎn)。
圖1：采用兩顆NCP1601 PFC控制器實(shí)現(xiàn)的交錯(cuò)式PFC架構(gòu)功能框圖
圖1所示的交錯(cuò)式PFC是一種分立式的解決方案，采用了2顆NCP1601芯片。NCP1601是一款緊湊的固定頻率DCM或CrM PFC控制器，采用SOIC-8或PDIP-8封裝，能夠充分利用DCM及CrM這兩種工作模式的優(yōu)勢(shì)，如DCM限制最大開關(guān)頻率，CrM限制升壓二極管、MOSFET及電感的最大電流，降低成本及提升電路可靠性。這2顆NCP1601 PFC控制器驅(qū)動(dòng)2個(gè)PFC分支，這2個(gè)分支同步但獨(dú)立工作，從而保證了DCM工作模式(零電流檢測(cè))，沒有CCM工作模式的風(fēng)險(xiǎn)，且在滿載條件下2個(gè)分支都進(jìn)入CrM工作模式。
新穎的單芯片2相交錯(cuò)式PFC控制器
與上述分立式交錯(cuò)PFC不同，NCP1631是安森美半導(dǎo)體新推出的一款單芯片2相交錯(cuò)式PFC控制器，采用SOIC-16封裝，替代2顆NCP1601，驅(qū)動(dòng)2個(gè)PFC支路，提供接近1的高功率因數(shù)。這器件可以實(shí)現(xiàn)同樣的低高度設(shè)計(jì)，適合任何需要PFC的離線式應(yīng)用尤其是纖薄型如平板電視，典型應(yīng)用示意圖如圖2所示。
圖2：NCP1631典型應(yīng)用示意圖。
對(duì)于交錯(cuò)式PFC的2個(gè)支路而言，有兩種方案來工作。其中一種是主/從方案，即主支路自由工作，而從支路以180°相移跟隨主支路工作。這種方案的主要挑戰(zhàn)是維持CrM工作(無CCM，無死區(qū)時(shí)間)。另一種方案是交互相位方案，即每個(gè)相位都恰當(dāng)工作在CrM，且兩個(gè)相位交互作用，設(shè)定180°相移。這種方案主要的挑戰(zhàn)是保持恰當(dāng)?shù)南嘁?，因?yàn)殡m然維持了CrM工作，但若其中某個(gè)相位的導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生擾動(dòng)，則可能會(huì)讓180°相移減弱。NCP1631選擇的是交互相位方案，兩個(gè)支路獨(dú)立工作，故兩個(gè)相位必然工作在頻率鉗位臨界導(dǎo)電模式(FCCrM)，防止了出現(xiàn)不需要的死區(qū)時(shí)間或CCM序列的風(fēng)險(xiǎn)。此外，NCP1631內(nèi)置振蕩器充當(dāng)交錯(cuò)式時(shí)鐘產(chǎn)生器，管理異相工作，使兩個(gè)相位交互作用，并在包括啟動(dòng)、過流保護(hù)(OCP)或瞬態(tài)序列等所有條件下持續(xù)180°相移工作。
NCP1631滿載時(shí)工作在CrM，輕載時(shí)及接近線路過零點(diǎn)時(shí)工作在DCM，從而充當(dāng)頻率鉗位(由振蕩器提供)的CrM工作器，優(yōu)化完整負(fù)載范圍內(nèi)的能效。FCCrM還縮小要電磁干擾(EMI)濾波的頻率范圍，不需要大尺寸電感以限制頻率范圍，支持使用小尺寸電感，如使用150 ?H電感(PQ2620)可用于寬主電源范圍的300 W PFC應(yīng)用。此外，NCP1631還支持頻率反走，降低輕載時(shí)的鉗位頻率，進(jìn)一步改善輕載能效。測(cè)試顯示，頻率反走技術(shù)不僅提升輕載和空載時(shí)的能效。
NCP1631具有高保護(hù)等級(jí)，提供過流保護(hù)、浪涌電流檢測(cè)、單獨(dú)引腳用于過壓保護(hù)(OVP)及欠壓保護(hù)(UVP)等。例如，芯片上的CS引腳監(jiān)測(cè)負(fù)電壓VCS，由于VCS與兩個(gè)交錯(cuò)式支路消耗的總輸入電流Iin成正比，故表示可監(jiān)測(cè)Iin。其中CS引腳電流ICS在CS引腳上保持0 V電壓；若ICS超過210 ?A，就會(huì)觸發(fā)過流保護(hù)。這個(gè)CS引腳同樣提供浪涌電流檢測(cè)，當(dāng)ICS超過14 ?A(信號(hào)處于高電平)時(shí)，就會(huì)關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)，防止損壞MOSFET。芯片上單獨(dú)OVP/UVP引腳用于輸出過壓及欠壓保護(hù)。此外，BO引腳用于輸入欠壓(BO)檢測(cè)，帶50 ms消隱延遲，符合維持時(shí)間要求。NCP1631的輸出引腳功能描述見圖3。
NCP1631的另外一項(xiàng)重要特點(diǎn)是能夠提供“pfcOK”信號(hào)，能用于啟用/關(guān)閉下行轉(zhuǎn)換器，簡化下行轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。在PFC段正常工作時(shí)，pfcOK信號(hào)是高電平(5 V)，能夠用作5 V電源(電流能力5 mA)。否則，在任何時(shí)候檢測(cè)到重要故障(如欠壓鎖定條件、熱關(guān)閉、欠壓保護(hù)、輸入欠壓、閂鎖/關(guān)閉、Rt引腳開路等)而關(guān)閉，或在PFC段獲得額定大電壓前的啟動(dòng)相位期間，pfcOK信號(hào)處于低電平。此外，NCP1631還具備前饋功能，從而改善環(huán)路補(bǔ)償。
能效測(cè)試結(jié)果及影響因素
對(duì)于基于NCP1631的300 W、寬電壓范圍PFC預(yù)轉(zhuǎn)換器演示板而言，輸出電壓通常為390 V，滿載時(shí)輸出電流為770 mA，20%負(fù)載時(shí)則為154 mA。這兩類輸出電流一般以相同工具測(cè)量，在10%及20%這樣的輕載條件下測(cè)量必須特別細(xì)心，因?yàn)? mA的誤差就可能導(dǎo)致較大的能效差別。例如，20%負(fù)載時(shí)，輸入功率為63 W，在154 mA正確值的基礎(chǔ)上，若產(chǎn)生1 mA的誤差，如測(cè)得為153 mA或155 mA，相應(yīng)的能效就分別為：100 x 390 x 0.153/63 = 94.7%，及100 x 390 x 0.155/63 = 95.9%，能效相差高達(dá)1.2%。
值得注意的是，PFC能效并不只取決于控制模式，電感、MOSFET、二極管、EMI濾波器等都會(huì)影響能效。例如，采用200 ?H PQ2625電感與采用150 ?H PQ2620電感時(shí)，約輸出負(fù)載高于約50%，則能效差別顯著；相當(dāng)，在輕載條件下，由于頻率反走功能的緣故，能效相差極小。
圖4：對(duì)于基于NCP1631的300 W、寬電壓范圍PFC預(yù)轉(zhuǎn)換器演示板能效測(cè)試結(jié)果
測(cè)試顯示，對(duì)于基于NCP1631的300 W、寬電壓范圍PFC預(yù)轉(zhuǎn)換器演示板具有極高能效。在20%至100%負(fù)載范圍下，115 Vac線路電壓時(shí)能效高于95.8%，230 Vac線路電壓時(shí)能效高于97.0%。
總結(jié)：
交錯(cuò)式PFC支持使用較小的元器件，能夠改善熱性能、增大臨界導(dǎo)電模式(CrM)功率范圍并減小電流紋波，非常適合對(duì)外形因數(shù)要求極為嚴(yán)格的纖薄應(yīng)用，如最新的超薄液晶電視等。安森美半導(dǎo)體在此前以2顆較小NCP1601實(shí)現(xiàn)分立式交錯(cuò)式PFC的基礎(chǔ)上，新推出了新穎的2相式頻率鉗位臨界導(dǎo)電模式(FCCrM) PFC控制器NCP1631，以單顆IC集成構(gòu)建強(qiáng)固及緊湊的2相交錯(cuò)式PFC段所需的全部特性，且外部元件極少。FCCrM及NCP1631提供的頻率反走功能支持使用小電感，測(cè)試顯示，在完整負(fù)載范圍內(nèi)均提供高能效。
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