采用創(chuàng)新的模擬PFC控制器應對最新生態(tài)設計挑戰(zhàn)

創(chuàng)新的電流控制頻率反走(CCFF)技術(shù)使模擬功率因數(shù)校正(PFC)控制器能夠在完整負載范圍內(nèi)提供高能效，其它已知優(yōu)勢還包括快速瞬態(tài)響應及簡化電路設計。

簡介：高能效PFC

諸如歐盟耗能產(chǎn)品(ErP)指令等嚴格生態(tài)設計法規(guī)要求電視、膝上型及臺式電腦、熒光燈鎮(zhèn)流器和LED照明驅(qū)動器等日常使用的產(chǎn)品提供極高能效。為了確保在產(chǎn)品級通過必要的批準，如在歐盟銷售的商品須獲得強制的CE標志，新設計必須符合包括待機、部分負載或滿載條件的寬負載范圍能效目標。

此外，設計人員也面臨符合以有競爭力的價格提供高性能標準之市場需求的壓力?？刂乒β室驍?shù)校正(PFC)(功率高于70 W之應用強制要求PFC)的集成電路(IC)集成越來越多的功能，通過減少電源元件數(shù)量及降低對電容等大體積、規(guī)格過高的器件的依賴，可以幫助滿足此要求。

有源PFC補償由電源導致、會增加電氣網(wǎng)絡內(nèi)熱量及干擾的線路電流諧波失真。由于對能效的顧慮已經(jīng)延伸，不僅涵蓋待機及降低功率模式，還包括滿額功率模式，傳統(tǒng)PFC控制工作的缺點就變得越來越受注目。采用臨界導電模式(CrM)工作的傳統(tǒng)PFC控制器的能效在電源輕載工作時往往會降低，如電器在待機模式下就是如此。

轉(zhuǎn)向數(shù)字PFC,還是不轉(zhuǎn)?

某些芯片制造商已將數(shù)字PFC作為克服此局限的出路。通過將感測模擬電壓轉(zhuǎn)換至數(shù)字域，然后應用信號處理算法，數(shù)字控制器就不受線性特性的限制，在任何負載條件下都可以合成極優(yōu)的輸出波形。不同模式下的能效取決于芯片制造商開發(fā)的算法品質(zhì)。市場上近期推出的數(shù)字PFC控制器還集成了通過I2C等標準連接實現(xiàn)的診斷及用戶可編程等功能。

然而，有關(guān)模擬PFC將被數(shù)字PFC替代的傳言在過去已經(jīng)被證明是夸大其辭。在這種情況下，要想削弱傳統(tǒng)模擬PFC控制器的一些關(guān)鍵優(yōu)勢可能還為時尚早。雖然制造商們聲稱數(shù)字PFC控制器相比模擬PFC控制器具有成本優(yōu)勢，特別是在系統(tǒng)級考慮成本時，但市場上的模擬PFC控制器的價格比最新數(shù)字PFC控制器更低。某些數(shù)字PFC控制器自推出第一代產(chǎn)品以來，價格實際上已經(jīng)上漲。此外，最新模擬PFC控制器中集成的保護電路及輸入欠壓檢測等特性能夠提供僅使用極少外部元件的更具價格競爭力的設計。

最新世代的模擬PFC控制器通過采用電流控制頻率反走(CCFF)等創(chuàng)新技術(shù)，能夠提供更高的能效。安森美半導體的NCP1611和NCP1612 PFC控制器中應用了這種新的工作模式。CCFF使控制器在寬負載內(nèi)維持高能效，包括輕載和待機工作條件，以及較高負載條件。這些控制器還應用了增強型特性，改善故障處理及瞬態(tài)響應，并支持不同偏置場景，為設計人員提供額外的靈活性。

提升所有負載條件下的能效

在CCFF架構(gòu)下，電路在大電流條件下采用臨界導電模式(CrM)工作。在重負載條件下臨近過零點時會出現(xiàn)低電流電平，而輕載條件下完整正弦方波皆為低電流電平;而在低電流電平時，控制器進入頻率受控不連續(xù)工作模式。定時器會插入死區(qū)時間，延遲啟動，直到從表征輸入電流的感測電壓上升至內(nèi)部產(chǎn)生的精密2.5 V“斜坡閾值”之斜坡所需時間用完。因此，較低輸入電流的死區(qū)時間更長。圖1通過不同負載條件下升壓MOSFET的電壓波形顯示了CCFF的工作原理。

定時器控制死區(qū)時間而非開關(guān)周期/關(guān)閉時間。當電流為零時，反走頻率被限制為最低的20 kHz.控制器通過這種方式能夠?qū)㈩~定負載及輕載條件下的能效均提升至最高。特別是待機損耗被降至最低。通過延遲MOSFET導通的時間點直至漏極-源極電壓到達其谷底，進一步降低了損耗。谷底開關(guān)還將產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)減至最少。另一項優(yōu)勢是系統(tǒng)不會在谷底之間停滯。由于死區(qū)時間不受電流周期時長變化的影響，谷底導通的發(fā)生不帶有遲滯。

可以將CCFF工作模式與負載下降時開關(guān)頻率上升的傳統(tǒng)CrM作比較。極輕負載時，傳統(tǒng)CrM控制器可能進入突發(fā)(burst)模式，產(chǎn)生可聽噪聲。相比較而言，CCFF控制器的較低頻率被鉗位至高于可聽頻率范圍，因而防止產(chǎn)生可聽噪聲。

與頻率控制臨界導電模式(FCCrM)控制器類似，CCFF控制器的內(nèi)部電路能夠提供接近1的功率因數(shù)，即便是在開關(guān)頻率降低的情況下。此外，跳周期模式使PFC能夠跳過電流極低時線路過零點附近的周期，提供優(yōu)化的能效。這就避免了電源轉(zhuǎn)換能效特別低時的電路工作。應當注意的是，這種模式會產(chǎn)生一些電流波形失真。因此，跳周期模式不應當用于要求極高功率因數(shù)的應用。圖2比較了CCFF控制器在跳周期模式及非跳周期模式與傳統(tǒng)CrM控制的能效。[!--empirenews.page--]

增強控制器功能

集成快速線路/負載瞬態(tài)補償進一步增強了PFC性能，避免由負載或輸入電壓突然變化(如啟動時)導致的過多過沖或欠沖。這問題在傳統(tǒng)PFC段中比較常見，原因就在于通常較低的環(huán)路帶寬。相比較而言，NCP1611在輸出電壓下降至低于其穩(wěn)壓電平的95.5%時大幅加快穩(wěn)壓環(huán)路。這功能僅在PFC段已經(jīng)啟動以配合出現(xiàn)軟啟動工作后才啟用。如果輸出電壓超過期望電平的105%,軟過壓保護(Soft OVP)將提供的功率線性降低至零。如果輸出持續(xù)上升，當輸出電壓到達期望電平的107%時，此電路立即中斷功率提供。

此外，此控制器提供兩個版本，使設計人員能夠根據(jù)工作電壓范圍優(yōu)化啟動電流。其中，NCP1611B的供電電壓范圍達17 V,非常適合于自偏置應用。它的低啟動電流特性支持使用高阻抗啟動電阻，無需大VCC電容，幫助縮短啟動時間。NCP1611A最大啟動電壓電平為11.5 V,能采用12 V電源軌供電。它提供軟啟動功能，非常適合于電路由輔助電源等外部電源或下行轉(zhuǎn)換器供電的應用。

NCP1611還片上提供多種重要的保護功能，可以省去分立保護電路。集成的保護功能包括雙電平限流，在旁路或升壓二極管短路的情況下，能夠關(guān)閉電源開關(guān)或進入減小占空比的模式。這器件還應用了欠壓保護、輸入欠壓檢測及過熱關(guān)閉。

輸出段包含經(jīng)過優(yōu)化的圖騰柱(totem pole)電路，用于將高頻工作期間的跨導(cross-conduction)電流減至最小。輸出電路的高驅(qū)動能力使控制器能夠直接連接至擁有大門電荷(Qg)值的功率MOSFET.圖3顯示了采用NCP1611控制的升壓PFC電路的基本電路圖。

結(jié)論

轉(zhuǎn)向數(shù)字PFC是優(yōu)化寬負載范圍條件下PFC能效的一種方式。另一方面，利用已獲證明之模擬技術(shù)優(yōu)勢的創(chuàng)新型PFC控制器，能為設計人員提供更簡單、性價比可能更高的方案。這是設計PFC方案時的另一個極佳的更巧妙而其更辛苦工作的業(yè)界示例。您不需要轉(zhuǎn)向數(shù)字PFC來提升能效，您只是需要更巧妙。