大幅优化离线电源轻载能效的安森美半导体创新PFC控制方案

jackzhang

如今，电源设计人员面临着诸多挑战，既要达到更高的能效目标，又要满足加快产品上市的要求。就实现更高能效目标而言，电源设计不仅要顾及满载能效，而且需要评估10%、20%、50%及75%负载等条件下的能效。电源设计人员还要面对其它不少挑战如新电源可能更易于滋生可听噪声、须增强可靠性及安全性及加快上市进程并缩短安全认证时间等。

应对高能效挑战的安森美半导体创新PFC方案

安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，持续开发创新技术及产品，为市场提供丰富的电源半导体方案，其中就包括强大的PFC产品阵容及后续产品(图1)，使电源设计人员能够不断地开发高能效的电源方案。其中，安森美半导体最新推出的NCP1611 PFC控制器采用创新的电流控制频率反走(Current Controlled Frequency Foldback，CCFF)方法驱动PFC升压级，功率因数接近1，高驱动能力为-500 mA / +800 mA，Vcc范围从9.5 V到35 V，具有非闭锁和过压保护、电压检测、软起动和过流限制等功能。


图1：安森美半导体的PFC产品阵容。

NCP1611有源功率因数校正(PFC)控制器适用于AC-DC适配器、平板电视及照明镇流器及其它中功率离线应用的升压预转换器。该控制器采用正待批专利的CCFF架构。在这种模式下，当电感电流超过可编程值时，电路运行在CrM模式下。当电流低于这个预设水平，电流为零(null)时，NCP1611可线性降低频率至大约20 kHz。CCFF可最大限度提高额定负载和轻负载效率。特别是，可将待机损耗减少到最低限度。该控制器具有一系列强大的保护功能，可妥善处理各种电源工作和故障条件。NCP1611拓展了传统CrM PFC控制器的优势。图2是NCP1611典型应用电路图。


图2：NCP1611典型应用电路图。

作为增强型PFC控制器，NCP1611采用电流控制频率反走CrM模式及跳周期模式，可优化整个负载范围内的效率，实现更好的轻负载效率，以及非常强大的安全特性。

NCP1611独特的关键特性包括：动态响应增强器用于提供快速的线路/负载瞬态响应；宽Vcc范围最高达35 V，带门电压钳位功能；启动电流典型值为20 µA，最高50 µA(A版本Vcc启动电压10.5 V；B版本为17 V)；线路范围检测功能调节及优化环路增益；A版本提供软启动功能，B版本能使用较小Vcc电容，易于启动；谷底导通功能利于提供最佳能效及产生极低电磁干扰(EMI)。

在安全性方面，NCP1611具有Vcc欠压锁定(UVLO)及线路输入欠压(BO)保护；在电感饱和或旁路二极管短路条件下提供过流保护(OCP)；输出过压保护(软OVP及快速OVP)及欠压保护(UVP)；反馈开路关闭及接地开路故障监控；以及过热关闭。图3所示是NCP1611的稳压工作情况。


图3：NCP1611的稳压工作。

此外，NCP1611还具有其它特性，如快速负载瞬态特性、最大Vcc为35 V的内部14 V门电压钳位、顺利启动运行软启动（A版）、强大的开路和引脚短路保护、热关断等。NCP1611还可以实现稳压工作，轻易解决开路及短路引脚故障，提升安全性；即使是在接地引脚开路的条件下该元件也可受到保护。

由于具备了上述优异的特性，NCP1611的市场及应用主要涵盖大型平板电视、电脑电源、高功率适配器、LED照明和镇流器，以及功率大于300 W的PFC应用。

CCFF架构详解及与CrM架构比较

如图3所示，安森美半导体开发的CCFF架构的定时器仅控制死区时间，利用定时器对应电流电平调节死区时间，反走频率限制为>20 kHz，具有市场上领先的性能。


图3：电流控制频率反走(CCFF)架构。


具体讲，CCFF架构具有固定导通时间控制和频率反走特性。在大电流时，电路以临界导电模式工作。小电流时(重负载时接近线路过零点，轻载时位于全部正弦方波)，因此，磁芯复位后下一个周期并不会立即启动；相反，定时器开始调节死区时间；电流越小，定时器持续时间(死区时间)越长；定时器持续时间取决于大小；定时器仅控制死区时间(不控制开关周期/关闭时间)。由于死区时间不受电流周期时长变化的影响，因此可以毫不犹豫地进行谷底导通。


图4：演示板能效比较(红色：带跳周期模式的CCFF；绿色：关闭跳周期功能的CCFF；紫色：CrM)

采用CCFF控制架构，最大的好处莫过于提升能效。采用传统CrM(临界导电模式)/BCM(边界线导电模式)，在负载降低时，开关频率上升；负载极低时，控制器可能进入“跳周期模式”，滋生可听噪声。而采用CCFF控制架构，可以在负载降低时降低开关频率，减小功率损耗；在轻载时，控制器可以钳位高于可听噪声频段的较低频率；负载极低时，则采用跳周期模式工作(可以轻易关闭)。因此，这种谷底导通可进一步提升能效，减小电磁干扰。图4比较了基于NCP1611CCFF PFC及传统CrM PFC在不同负载条件下的能效。由图中可见，在10%轻载条件下，基于带跳周期模式的NCP1611的演示板的能效高达近97%(关闭跳周期模式下也达近96%)，而基于传统CrM架构的演示板能效仅为近87%，相关近10%。可见NCP1611在提升电源轻载能效方面表现尤为优异。

小结：

NCP1611 PFC控制器采用新颖及正待批专利的控制技术——电流控制频率反走，以临界导电模式/不连续导电模式(DCM)工作，并带有谷底开关，可在宽工作电源范围下提供极佳能效，在宽负载范围下可提供高功率因数及良好的总谐波失真(THD)性能。这种新颖的PFC控制器与传统CrM PFC控制器相比，具有更高的故障处理能力、更佳的瞬态响应，可灵活支持不同偏置情形。值得一提的是，NCP1611 PFC控制器专门进行了优化，尤其适合平板电视、电源适配器、高能效计算机电源及LED驱动器电源等应用。