NCP1601型功率因數(shù)校正控制器的原理及應(yīng)用
關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正控制器 DCM/CRM 原理 集成電路
1 概述
安森美半導(dǎo)體公司推出的NCP1601型功率因數(shù)校正（PFC）控制器能不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）和臨界傳導(dǎo)模式（CRM或BCM）下工作，它兼有二種工作模式的優(yōu)點(diǎn)。因固定頻率DCM可限制最高開(kāi)關(guān)頻率，從而限制污染系統(tǒng)環(huán)境的傳導(dǎo)輻射和EMI噪聲。而不定頻率CRM則可限制升壓MOSFET、二極管和電感器的最大電流，以降低成本，提高電路的可靠性。NCP1601結(jié)合DCM與CRM的優(yōu)點(diǎn)及高安全性保護(hù)特征，適合于電子鎮(zhèn)流器，AC適配器、TV與臨視器等中低功率電源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器應(yīng)用。
可在DCM和CRM下工作是NCP1601的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。NCP1601的其他特點(diǎn)如下：
·在電壓工作模式下能提供簡(jiǎn)單的電壓模式反饋；
·啟動(dòng)電流（典型值為17μA）和關(guān)閉電流（典型值為24μA）低；
·DCM開(kāi)關(guān)頻率可編程；
·可同步模式工作（OSC腳可以接收外部數(shù)字信號(hào)）；
·具有保護(hù)（OVO）功能，其門限電平是PFC級(jí)輸出電壓正常值的107%；
·通過(guò)其欠保護(hù)（UVP）功能可在輸出電壓降至正常調(diào)節(jié)電平的92%以下時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉；
·具有可編程過(guò)電流保護(hù)（OCP）；
·過(guò)熱關(guān)閉（OTSD）功能可在結(jié)溫超過(guò)140℃時(shí)截止IC并當(dāng)結(jié)溫降至95℃以下時(shí)使器件恢復(fù)工作；
·滿足IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輸入電流諧波限制要求。
MCP1601有NCP1601A和NCP1601B二種型號(hào)，二者的Vcc欠壓鎖定（UVLO）滯后電壓不同。NCP1601A的UVLO帶4.75V的滯后，而NCP1601B的UVLO滯后則是1.5V。
2 基本結(jié)構(gòu)及引腳排列
NCP1601采用8引腳PDIP和8引腳SO封裝（結(jié)溫范圍為-40℃～+125℃），引腳排列如圖1所示。
各引腳的功能如下：
腳1(FB):反饋/關(guān)閉腳。該腳可接收正比于PFC電路輸出電壓的反饋電流IFH。IFB大地內(nèi)部參考電流Iref（典型值是200μA）的107%時(shí)，OVP被激活，腳Drv上的驅(qū)動(dòng)輸出截止；而當(dāng)IFB<0.08Iref時(shí)，器件進(jìn)入低功耗關(guān)閉模式。
圖2
腳2（Vcontrol）：控制端。該腳上電壓用于直接控制輸入阻抗和電路功率因素。該腳外部電容器限制電壓Vcontrol的帶寬。為獲得功率因數(shù)校正，控制電壓的帶寬應(yīng)低于20Hz。該腳外部電容Control的典型值是0.1μF。
腳3（Ramp）：連接在該腳外部的電容器Cramp可用于設(shè)置斜坡信號(hào)，該電容器直接影響PFC電路的輸入阻抗和最大輸入功率。
腳4（CS）：電流感測(cè)腳。該腳可提供一個(gè)用于OCP和零電流檢測(cè)（ZCD）的電流Is，該Is取決于升壓電感電流和該腳上的失調(diào)電壓。當(dāng)Is>200μA時(shí)，執(zhí)行OCP，IC驅(qū)動(dòng)輸出截止；當(dāng)Is<14μA時(shí)，執(zhí)行OCP，IC驅(qū)動(dòng)輸出截止；當(dāng)Is<14μA時(shí)，電路檢測(cè)零電流。
腳5（Osc）：振蕩/同步端。在振蕩模式，該腳外部連接一個(gè)電容器Cosc，可設(shè)置DCM的振蕩器頻率。在同步模式，該腳接外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在進(jìn)行DCM操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出正沿被同步到外部的負(fù)沿上。在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)，如果電感電流不是零，輸出驅(qū)動(dòng)將不允許導(dǎo)通而禁止連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）工作，以使其工作在CRM模式。
腳6（GND）：IC地。
腳7（Drv）：用于外部MOSFET的驅(qū)動(dòng)輸出。
腳8（Vcc）：電源電壓，工作范圍為9～18V。NCP1601A的啟動(dòng)門限是13.75V，而NCP1601B的啟動(dòng)門限是10.5V，二種器件的關(guān)閉門限Voc(off)均為9V。
3 NCP1601的DCM和CRM工作原理
PFC升壓變換器的電感電流導(dǎo)通方式可分為3種類型，即連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）、不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM2）和臨界電模式（CRM或BCM-Boundary Conduction Mode）。其中CCM適用于300～3000W較大功率的PFC，該電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；而DCM和CRM則適用于75～300W的中低功率PFC，其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。
CCM工作除了AC正弦電壓跨零外，在任何時(shí)刻，升壓電感電流都不為零。這種固定頻率平均電流模式CCM控制方案的開(kāi)關(guān)周期保持不變，但占空比是變化的。NCP1601的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部元件連接如圖2所示。
CRM的特別是開(kāi)關(guān)頻率變化，且在正弦電壓過(guò)零時(shí)頻率最高，在正弦電壓峰值處的開(kāi)關(guān)頻率最低。一旦升壓電感器中的電流除為零，新的開(kāi)關(guān)周期便接著開(kāi)始而不存在電流死區(qū)。CRM的缺點(diǎn)是在正弦波過(guò)零附過(guò)的開(kāi)關(guān)頻率相當(dāng)高，EMI比較嚴(yán)重。這使是可限制最大電流應(yīng)力并可以用小尺寸和廉價(jià)的MOSFET升壓二極管和升壓電感器。
DCM的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，且在二個(gè)開(kāi)關(guān)周期之間的電感電流存在死區(qū)。其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠限制最大開(kāi)關(guān)頻率，使前端EMI濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化。但是，在同樣的平均輸入電流下，DCM需要較高的峰值電感電流，因而需要選用放大的功率器件。
創(chuàng)新的NCP1601B型PFC控制器可在CRM和DCM二種模式下工作，并且不會(huì)引起功率因數(shù)退化，其電流波形如圖3所示。
圖4
4 典型應(yīng)用電路及測(cè)試數(shù)據(jù)
基于NCP1601B的130W PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)器電路如圖4所示。該P(yáng)FC升壓變換器的AC輸入電壓可從90Vac到260Vac。在230Vac的輸入電壓下，其輸出電壓Vout=391V，功率因數(shù)（PF）為0.973，總電流諧波失真THD=9%，效率η=96.4%。在輸入Vin=90～180Vac時(shí)，PF≥0.99,THD≤6%,可達(dá)到超低THD水平。表1所列是90～250Vac輸入電壓下的測(cè)試結(jié)果。
表1 測(cè)試數(shù)據(jù)
| Vin(Vca) | Pin(W) | Vout(V) | Iout(mA) | PF | THD(%) | η(%) |
| 90 | 143.4 | 327 | 400 | 0.998 | 4 | 91.2 |
| 110 | 161.1 | 373 | 400 | 0.997 | 6 | 92.6 |
| 130 | 160.5 | 378 | 400 | 0.996 | 6 | 94.2 |
| 150 | 160.9 | 382 | 400 | 0.993 | 7 | 95.0 |
| 180 | 161.6 | 386 | 400 | 0.990 | 6 | 95.5 |
| 190 | 161.7 | 387 | 400 | 0.986 | 8 | 95.7 |
| 210 | 162.0 | 389 | 400 | 0.980 | 8 | 96.0 |
| 230 | 162.2 | 391 | 400 | 0.973 | 9 | 96.4 |
| 250 | 162.8 | 393 | 400 | 0.929 | 16 | 96.6 |
5 結(jié)束語(yǔ)
NCP1601可在CRM和DCM下工作并具有二種模式的優(yōu)點(diǎn)。它在AC線路輸入電壓過(guò)零附近采用DCM控制方案，此時(shí)由于對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了限制，因此易地解決EMI問(wèn)題。而在正弦波峰值附近，為避免較大的峰值電感電流，電路則采用CRM控制方法，這樣可以使用較小的電感器、MOSFET和升壓二極管，從而不僅降低了成本，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。NCP1601在DCM和CRM下工作并不會(huì)起功率因數(shù)下降，因而是一種創(chuàng)新的控制方案。
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