低待機功耗可控PFC關(guān)斷的單輸出PWM控制器

NCP1230設計了幾個新技術(shù)特色以實現(xiàn)低待機功耗的中功率AC/DC開關(guān)電源，適于筆記本計算機、電池充電器及其它消費類電子設備。引線端子少，功能齊全，8PIN封裝，包含了全部控制功能，建起一個有效的供電系統(tǒng)。它是一個電流型控制器，斜波補償放在內(nèi)部。加入了前端PFC的管理電路，并在待機時禁止PFC工作，自己進入跨越周期式工作，以限制峰值電流，且不會降到產(chǎn)生音頻噪音的范圍，內(nèi)部含有高壓起動源，消除了對外部起動元件的需要。

NCP1230的內(nèi)部鎖存功能，可用于OVP保護，令CS觸發(fā)到3V去鎖住PWM,并用拉下Vcc電壓到地電平去復位，真實的過載保護，內(nèi)部2.5ms的軟起動，前沿消隱，頻率抖動，改善EMI.

主要特點有：

●電流型控制，內(nèi)部斜波補償。

●內(nèi)部高壓起動電流源，極大降低起動功耗。

●超低待機功耗。

●低峰值電流的跨越周期能力。

●直接控制PFC的Vcc供給及關(guān)斷。

●內(nèi)部2.5ms軟起動。

●內(nèi)部前沿消隱。

●初級側(cè)過流及過壓保護。

●短路保護，利用輔助繞組協(xié)助完成。

●+500mA / -800mA峰值電流驅(qū)動能力。

●直接光耦反饋連接。

●定頻工作，三個品種，65KHz,100KHz及133KHz.

●無鉛作業(yè)。

主要應用場所為，中大功率AC/DC適配器，充電器，TV顯示器等。

圖1為典型應用電路：

圖1 NCP1230組成的AC/DC簡化電路

八個引腳功能描述如下：

1PIN PFC Vcc控制端，此端直接接PFC Vcc,內(nèi)部經(jīng)一低阻開關(guān)接自身Vcc,待機時及起時，令此開關(guān)關(guān)斷，當VAUX穩(wěn)定后，打開此開關(guān)，供PFC控制器起動。

2PIN FB回饋端，光耦的光電三極管集電極拉低此端電平以達到穩(wěn)壓調(diào)整，電流設置點減到峰值25%時，進入跨越周期。

3PIN CS / OVP電流檢測端。它有三個功能，電流檢測，內(nèi)部斜波補償信號取樣，高于3V時鎖死的OVP功能。

4PIN GND IC公共端。

5PIN DRV驅(qū)動輸出端，有+500mA / -800mA驅(qū)動能力。

6PIN Vcc控制器供電端，最高18V,7.7V關(guān)斷。

7PIN NC.

8PIN HV高壓端子，直接接Bulk電容高壓完成起動，給Vcc電容充電，正常工作后關(guān)斷。

圖2給出內(nèi)部功能方框電路。

圖2 NCP1230控制IC的內(nèi)部等效電路

下面詳細介紹NCP1230的功能特色及設計程序。

NCP1230是一個電流型控制器，其提供定頻式PWM所需的全部功能，包括邏輯電路，保護

電路及輸出驅(qū)動，適于低成本的、中、小功率脫線電源應用，諸如Note Book適配器，機頂盒，TV及監(jiān)視器等。

NCP1230可以直接接高壓源，提供無損起動。消除外部的起動電路，此外，它還具有PFC的Vcc輸出端，用于給功率因數(shù)校正控制IC提供偏置電源，或給其它電路供電，NCP1230能管理此端子在其待機狀態(tài)及在過載條件下的開與關(guān)。

PFC-Vcc

如NCP1230內(nèi)部電路所示，它有一個低阻抗開關(guān)SW1,從6PIN到1PIN,當電源工作在正常負載下，PFC-Vcc信號給出35mA連續(xù)電流供PFC使用。

接在NCP1230的PFC Vcc端，直接送到PFC的控制芯片的Vcc處。僅要一支0.1μf旁路電容即可。

NCP1230的典型應用電路如圖3。

圖3 NCP1230的典型應用電路

反饋

反饋端設計成光耦光電三極管集電極直接接于FB端子，它通過內(nèi)部20KΩ電阻上接Vcc電源，此反饋輸入信號被1/3分壓后，接到PWM比較器的反相輸入端，而同相輸入端接至電流檢測信號（圖4）。

圖4 NCP1230的反饋連接法

圖5 反饋與跨越周期電路

NCP1230為峰值電流型控制器，此處，反饋信號正比于輸出功率，在初始周期中，功率開關(guān)開啟，變壓器初級電流增長，當峰值電流達到反饋電壓的水平時，PWM比較器即從低電平到高電平，復位PWM的鎖存觸發(fā)器，然后關(guān)斷外功率開關(guān)，直到下一個振蕩周期開始。

反饋輸入端被箝制在正常的10V水平，以應對ESD保護。

跨越周期模式

反饋輸入與跨越周期邏輯并聯(lián)相接（圖5），當反饋電壓降到最大峰值電流的25%以下時，IC為防止此電流進一步減少，開始消隱輸出脈沖，此稱做跨越周期模式工作，當控制器進入跨越周期工作模式時，變壓器的工作按猝發(fā)頻率沖寬度工作，減小了平均輸入功率。

此處，Vc - 控制端子電壓（反饋輸入）。

Ipk- 峰值初級電流。

Rs - 電流檢測電阻。

3 - 反饋回路電阻分壓比。

跨越電平 = 3V?25% = 0.75V.

此處：

此處，Pin - NC1230進入跨越周期模式的功耗水平。

Lp -初級電感。

F - NCP1230的工作頻率。

此處， τ-電源轉(zhuǎn)換效率。

在跨越周期模式時，PFC-Vcc信號插入了一個高阻抗，只要輕載條件檢測出來并開始執(zhí)行，圖6示出典型波形，第一部分給出正常工作條件，此時輸出電壓較低，結(jié)果是反饋信號較高，要控制器提供出最大功率。第二部分在正常負載，輸出電平穩(wěn)定狀態(tài)。第三部分為輸出功率降到25%的閾值以下時，此時出現(xiàn)125ms的起動時段。如果條件仍存在，NCP1230繼續(xù)為低功率輸出，內(nèi)部開關(guān)SW1開路，PFC-Vcc信號輸出為低。此時NCP1230進入跨越周期模式，F(xiàn)B端移到750mV的閾值水平。在跨越比較器處有100mv窗口，此過程取決于電源在輕載的條件及其時間常數(shù)。因為這時紋波幅度重迭于FB端，低于第二閾值（1.25V），PFC-Vcc比較器輸出仍停在高電平。

在第四個部分，輸出功率開始增加，反饋電壓上升超過1.25V閾值。NCP1230離開跨越周期模式，又回到正常工作狀態(tài)。

離開待機狀態(tài)

當反饋電壓升到超出1.25V時，跨越周期停止，SW1立即閉合，并重新供電給PFC,此處無延遲，在此時SW1立即開啟。見圖6。

圖6 跨越周期工作波形

電流檢測

NCP1230為峰值電流控制模式，電流檢測輸入內(nèi)部箝制在1.0V,所以檢測電阻由下面公式R Sense = 1.0V / Ipk 決定。

用一支18KΩ電阻接到CS端，另外一端接到內(nèi)部振蕩器的輸出，用于斜波補償。見圖7。

圖7 NCP1230的斜波補償

斜波補償

在開關(guān)電源中工作在連續(xù)導通模式（CCM）時系在占空比大于50%時，振蕩器位于開關(guān)頻率的一半處。為消除此條件，斜波補償可以加到電流檢測信號處，以校正次諧波振蕩。對低的電流環(huán)增益，典型的產(chǎn)生于50%~100%的電感下斜處。

NCP1230提供一個內(nèi)部2.3V峰峰值的斜波，其通過18KΩ電阻連接到電流檢測端，為執(zhí)行斜波補償，需一支電阻從電流檢測電阻處接到3PIN。

實例計算

如果我們假設用65KHz的NCP1230版本，在65KHz下，斜波的dv/dt是130mV/μS.我們設計的反激變換器，初級電感 為530μH.電源輸出為12V,Np: Ns = 1:0.1,初級電流斜率在關(guān)斷時間段為：

當在電流檢測電阻（0.1Ω）強加上時，若選75%的電感電流的下斜作為我們所需求的斜波總量，那么我們將有27 mV/μS。

設內(nèi)部補償為130 mV,分壓比推薦為0.207,因此：

前沿消隱

在開關(guān)電源中，在電流斜波起始點，因功率開關(guān)的柵源電容，變壓器繞組間交連電容及輸出整流管的反向恢復造成一個很大的電流尖刺，為防止它造成的不成熟地關(guān)斷PWM的輸出驅(qū)動，必須加入前沿消隱電路，令其與電流檢測輸入及PWM比較器串接。LEB電路的加入使電流檢測信號在開始的250ns內(nèi)將其消除。見圖8.

圖 8 前沿消隱電路

圖9 短路保護的時序 1

短路保護

NCP1230采用輔助繞組去檢測隔離的二次側(cè)的輸出狀態(tài)來應對短路保護，這是與其它控制器完全不同的地方，這需要一些條件。（在本例中要有較大漏感）否則極難做短路保護及過載保護。在功率開關(guān)關(guān)斷時，漏感重迭了一個大的尖峰電壓于開關(guān)的漏極上，這個尖峰會在隔離的二次側(cè)輸出處檢測出來，在輔助繞組中也能檢測出來。因為輔助繞組也在此峰值處用二極管整流，這樣輔助繞組的Vcc電容電壓上也出現(xiàn)峰值于正常的平坦處，它也正比于輸出水平。

為了解析這個結(jié)果，NCP1230監(jiān)視此1.0V的錯誤標志。此錯誤標志（內(nèi)部1V）維持高電平的話，立即開始一個125ms時段，如果此125ms時段結(jié)束時，錯誤標志仍舊維持，則控制器即決定有真實的故障條件，于是停止PWM的驅(qū)動輸出，見圖9.當其出現(xiàn)時，Vcc開始減小，因為電源已被鎖住，當Vcc降到UVLO低電平（7.7V）閾值時，即進入鎖住階段。此時內(nèi)部消耗降到680μA,Vcc端電壓繼續(xù)下滑，但速度減慢，當Vcc達到鎖死電平（5.6V）時，電流源起動開通，再將Vcc拉高到UVLO的高端閾值，為限制故障時的輸出功率，用兩個電路分壓器接于Vcc處，在電源重新起動之前需要兩個起動程序，如果故障不再存在，錯誤標志變低，則控制器又回到正常狀態(tài)。

在瞬態(tài)負載條件下，如果錯誤標志維持，錯誤標志通常會驅(qū)動一個125ms的時間段，控制器在此時間段內(nèi)仍然正常工作。

如果125ms時間段超出，NCP1230又進入跨越周期模式，SW1開路，PFC-Vcc輸出被關(guān)掉，不會再激活，直到故障移去，電源再次恢復正常。

在跨越周期模式時，為防止任何過熱狀態(tài)，希望猝發(fā)狀態(tài)的占空比保持在20%以下。

鎖死階段還可以再開始，更傳統(tǒng)地會在Vcc降到UVLO（7.7V）以下，在此故障檢測期間，控制器不會等待125ms的時間輸出，或錯誤標志在令它進入鎖死之前就工作在跨越周期狀態(tài)。這個狀態(tài)如圖10所示。

圖10 短路保護的時序2

電流檢測輸入端的鎖死

NCP1230特色中還有一個內(nèi)部快速比較器（圖8）它在控制器關(guān)斷期間監(jiān)視電流檢測端子，如果因任何原因使3PIN電壓超過3V,則NCP1230會立即停止PWM的驅(qū)動脈沖，并執(zhí)行停在鎖死狀態(tài)，直到偏置源的周期停下來（即Vcc降到4.0V以下），這提供給設計師一個執(zhí)行外部關(guān)斷電路的柔性選擇（如過壓或過熱保護）。當控制器因3PIN鎖死時，SW1開路，關(guān)斷PFC-Vcc輸出。

圖11示出如何執(zhí)行對NCP1230的外部關(guān)斷，利用一個容納二極管及PNP三極管即可，僅在控制器輸出OFF時，PNP才可能通過齊納電壓生效。為此使CS的信息在控制輸出ON時離開控制，改變元件的接線安排，可以增加NTC器件用于過熱保護（OTP）。

圖11 高壓起動及過壓保護關(guān)斷

驅(qū)動輸出

NCP1230提供的驅(qū)動輸出，可以通過一個限流電阻接到功率MOSFET的柵，驅(qū)動輸出能力上升時間為40ns,內(nèi)部的源出漏入電阻為12.3mΩ，該測量系在1nf電容負載條件。

起動順序

NCP1230有一個內(nèi)部的高壓起動電流源（8PIN）直接接到外部高壓DC總線（圖11）當電源總線加電后，其內(nèi)部電流源3.2mA給Vcc端外部電容充電（6PIN），見圖12.當6PIN電壓達到Vcc off （12.6V）時，電流源關(guān)斷，以減少芯片功耗，NCP1230然后開啟，驅(qū)動外部功率MOS.經(jīng)變壓器建立輸出電壓，并經(jīng)過輔助繞組整流給Vcc電容充電。

圖12 起動順序示意圖

在起動順序中，控制器推出最大峰值電流，在經(jīng)過2.5ms的軟起動周期后，隨著Ipk達到峰值設置點，內(nèi)部的1V齊納二極管激活限制此電流幅度到1.0V/ Rsense,并維持一個錯誤標志指示出最大電流條件開始監(jiān)控。在此模式下，控制器必須決定，它是在正常起動過程中，還是其被強制在故障條件下，為決定兩者的不同，錯誤標志維持125ms時段，然后倒計時，如果在125ms內(nèi)標志去除，控制器復位，時段終結(jié)，然后正常起動順序開始，SW1進入低阻抗，令PFC-Vcc輸出使能。如果在125ms周期結(jié)束時，錯誤標志仍維持，那么控制器認定為故障條件，PWM控制器進入跨越周期工作模式。并禁止了PFC-Vcc的輸出。

軟起動

NCP1230特點是有一個內(nèi)部2.5ms的軟起動電路，當Vcc達到正常的12.6V時，軟起動電路激活。軟起動電路輸出一個控制參照電壓到放大器的反相端（圖13），而同相端送入反饋信號輸入，放大器的輸出驅(qū)動一個FET,去箝制反饋信號，由于其軟起動的輸出為向上的斜波。它允許反饋端送到PWM比較器逐步從零增加到最大箝制電平1.0V（V/Rsense）這出現(xiàn)在2.5ms的軟起動周期結(jié)束處，直到電源輸出達到穩(wěn)壓，軟起動還會在每次復位重新起動時被激活，圖14示出軟起動的順序。

圖 13 軟起動電路部分

圖14 軟起動波形

頻率抖動

頻率抖動是用于軟化EMI信號的一種方法，采用擴展開圍繞控制器工作的開關(guān)頻率的方法實現(xiàn)。NCP1230提供正常開關(guān)頻率的 +/-6.4%的變化。內(nèi)部產(chǎn)生出擺動的鋸齒波上、下調(diào)節(jié)時鐘，調(diào)制的周期為5ms,圖15顯示頻率抖動的波形。

過熱保護

內(nèi)部采用一個熱關(guān)斷電路做集成電路的OTP.以防芯片超出最高結(jié)溫，當芯片達到165℃時，控制器關(guān)斷PWM的驅(qū)動輸出。當此狀態(tài)出現(xiàn)時，Vcc將降下，控制器不再能給出驅(qū)動脈沖。輔助繞組設有能量補充給Vcc的電容，當Vcc降到4.0V時Vcc重起電路激活，控制器重新起動，如果用戶使用恒定電源供電，Vcc在過熱關(guān)斷時就不允許降到4V.NCP1230也不會重新起動，該特點提供了防止芯片因偶然過熱導致的災難性的故障。

圖15 頻率抖動波形圖