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工作相位相移交错式PFC技术趋势及新颖的单芯片交错式PFC控制器的应用

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近年来,在一些对外形因数有严格要求的应用中,如纤薄型液晶电视或笔记本适配器等,一种新兴的功率因数校正(PFC)技术-交错式PFC的使用越来越多。所谓交错式PFC,是在原本单个较大功率PFC段的地方并行放置2个功率为其一半的较小功率PFC段来替代,参见图1。这两个功率较小的PFC段以180°的相移交替工作,总输入电流(IL(tot))和输出电流(ID(tot))纹波都将大幅降低。

虽然交错式PFC使用相对较多的元器件,但却拥有很多优势。例如,150 W的PFC比300 W PFC更易于设计、便于采取模块化途径、散热更好及可以扩展临界导电模式(CrM)应用范围等。另外,两个不连续导电模式(DCM) PFC看上去象一个连续导电模式(CCM) PFC,简化了电磁干扰(EMI)滤波设计,减小输出均方根(RMS)电流,从而减少损耗及发热,提高设计的可靠性。尤为值得称道的是,交错式PFC支持使用尺寸更小的元器件,从而利于纤薄设计,增强产品卖点。

图1:采用两颗NCP1601 PFC控制器实现的交错式PFC架构功能框图

图1所示的交错式PFC是一种分立式的解决方案,采用了2颗NCP1601芯片。NCP1601是一款紧凑的固定频率DCM或CrM PFC控制器,采用SOIC-8或PDIP-8封装,能够充分利用DCM及CrM这两种工作模式的优势,如DCM限制最大开关频率,CrM限制升压二极管、MOSFET及电感的最大电流,降低成本及提升电路可靠性。这2颗NCP1601 PFC控制器驱动2个PFC分支,这2个分支同步但独立工作,从而保证了DCM工作模式(零电流检测),没有CCM工作模式的风险,且在满载条件下2个分支都进入CrM工作模式。

新颖的单芯片2相交错式PFC控制器

与上述分立式交错PFC不同,NCP1631是安森美半导体新推出的一款单芯片2相交错式PFC控制器,采用SOIC-16封装,替代2颗NCP1601,驱动2个PFC支路,提供接近1的高功率因数。这器件可以实现同样的低高度设计,适合任何需要PFC的离线式应用尤其是纤薄型如平板电视,典型应用示意图如图2所示。

对于交错式PFC的2个支路而言,有两种方案来工作。其中一种是主/从方案,即主支路自由工作,而从支路以180°相移跟随主支路工作。这种方案的主要挑战是维持CrM工作(无CCM,无死区时间)。另一种方案是交互相位方案,即每个相位都恰当工作在CrM,且两个相位交互作用,设定180°相移。这种方案主要的挑战是保持恰当的相移,因为虽然维持了CrM工作,但若其中某个相位的导通时间发生扰动,则可能会让180°相移减弱。NCP1631选择的是交互相位方案,两个支路独立工作,故两个相位必然工作在频率钳位临界导电模式(FCCrM),防止了出现不需要的死区时间或CCM序列的风险。此外,NCP1631内置振荡器充当交错式时钟产生器,管理异相工作,使两个相位交互作用,并在包括启动、过流保护(OCP)或瞬态序列等所有条件下持续180°相移工作。

图2:NCP1631典型应用示意图。

NCP1631满载时工作在CrM,轻载时及接近线路过零点时工作在DCM,从而充当频率钳位(由振荡器提供)的CrM工作器,优化完整负载范围内的能效。FCCrM还缩小要电磁干扰(EMI)滤波的频率范围,不需要大尺寸电感以限制频率范围,支持使用小尺寸电感,如使用150 ?H电感(PQ2620)可用于宽主电源范围的300 W PFC应用。此外,NCP1631还支持频率反走,降低轻载时的钳位频率,进一步改善轻载能效。测试显示,频率反走技术不仅提升轻载和空载时的能效。


图3:NCP1631的引脚输出及功能描述。


NCP1631具有高保护等级,提供过流保护、浪涌电流检测、单独引脚用于过压保护(OVP)及欠压保护(UVP)等。例如,芯片上的CS引脚监测负电压VCS,由于VCS与两个交错式支路消耗的总输入电流Iin成正比,故表示可监测Iin。其中CS引脚电流ICS在CS引脚上保持0 V电压;若ICS超过210 ?A,就会触发过流保护。这个CS引脚同样提供浪涌电流检测,当ICS超过14 ?A(信号处于高电平)时,就会关闭输出驱动,防止损坏MOSFET。芯片上单独OVP/UVP引脚用于输出过压及欠压保护。此外,BO引脚用于输入欠压(BO)检测,带50 ms消隐延迟,符合维持时间要求。NCP1631的输出引脚功能描述见图3。

NCP1631的另外一项重要特点是能够提供“pfcOK”信号,能用于启用/关闭下行转换器,简化下行转换器设计。在PFC段正常工作时,pfcOK信号是高电平(5 V),能够用作5 V电源(电流能力5 mA)。否则,在任何时候检测到重要故障(如欠压锁定条件、热关闭、欠压保护、输入欠压、闩锁/关闭、Rt引脚开路等)而关闭,或在PFC段获得额定大电压前的启动相位期间,pfcOK信号处于低电平。此外,NCP1631还具备前馈功能,从而改善环路补偿。

能效测试结果及影响因素

对于基于NCP1631的300 W、宽电压范围PFC预转换器演示板而言,输出电压通常为390 V,满载时输出电流为770 mA,20%负载时则为154 mA。这两类输出电流一般以相同工具测量,在10%及20%这样的轻载条件下测量必须特别细心,因为1 mA的误差就可能导致较大的能效差别。例如,20%负载时,输入功率为63 W,在154 mA正确值的基础上,若产生1 mA的误差,如测得为153 mA或155 mA,相应的能效就分别为:100 x 390 x 0.153/63 = 94.7%,及100 x 390 x 0.155/63 = 95.9%,能效相差高达1.2%。

值得注意的是,PFC能效并不只取决于控制模式,电感、MOSFET、二极管、EMI滤波器等都会影响能效。例如,采用200 ?H PQ2625电感与采用150 ?H PQ2620电感时,约输出负载高于约50%,则能效差别显著;相当,在轻载条件下,由于频率反走功能的缘故,能效相差极小。

图4:对于基于NCP1631的300 W、宽电压范围PFC预转换器演示板能效测试结果

测试显示,对于基于NCP1631的300 W、宽电压范围PFC预转换器演示板具有极高能效。在20%至100%负载范围下,115 Vac线路电压时能效高于95.8%,230 Vac线路电压时能效高于97.0%。

总结:
交错式PFC支持使用较小的元器件,能够改善热性能、增大临界导电模式(CrM)功率范围并减小电流纹波,非常适合对外形因数要求极为严格的纤薄应用,如最新的超薄液晶电视等。安森美半导体在此前以2颗较小NCP1601实现分立式交错式PFC的基础上,新推出了新颖的2相式频率钳位临界导电模式(FCCrM) PFC控制器NCP1631,以单颗IC集成构建强固及紧凑的2相交错式PFC段所需的全部特性,且外部元件极少。FCCrM及NCP1631提供的频率反走功能支持使用小电感,测试显示,在完整负载范围内均提供高能效。

供稿:安森美半导体

参考资料:
1、《交错式功率因数校正》,www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/iPFC%20-%20Interleaved%20Power%20Factor%20Controller%20-%20bilingual.rev0.pdf,安森美半导体
2、《交错式功率因数校正段特性》,www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8355-D.PDF,安森美半导体
3、NCP1631数据手册,www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1631-D.PDF,安森美半导体


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