大幅優化離線電源輕載能效的安森美半導體創新PFC控制方案

如今,電源設計人員面臨著諸多挑戰,既要達到更高的能效目標,又要滿足加快產品上市的要求。就實現更高能效目標而言,電源設計不僅要顧及滿載能效,而且需要評估10%、20%、50%及75%負載等條件下的能效。電源設計人員還要面對其它不少挑戰如新電源可能更易於滋生可聽雜訊、須增強可靠性及安全性及加快上市進程並縮短安全認證時間等。

應對高能效挑戰的安森美半導體創新PFC方案

安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商,持續開發創新技術及產品,為市場提供豐富的電源半導體方案,其中就包括強大的PFC產品陣容及後續產品(圖1),使電源設計人員能夠不斷地開發高能效的電源方案。其中,安森美半導體最新推出的NCP1611 PFC控制器採用創新的電流控制頻率反走(Current Controlled Frequency Foldback,CCFF)方法驅動PFC升壓級,功率因數接近1,高驅動能力為-500 mA / +800 mA,Vcc範圍從9.5 V到35 V,具有非閉鎖和過壓保護、電壓檢測、軟起動和過流限制等功能。

圖1:安森美半導體的PFC產品陣容。

NCP1611有源功率因數校正(PFC)控制器適用於AC-DC適配器、平板電視及照明鎮流器及其它中功率離線應用的升壓預轉換器。該控制器採用正待批專利的CCFF架構。在這種模式下,當電感電流超過可編程值時,電路運行在CrM模式下。當電流低於這個預設水平,電流為零(null)時,NCP1611可線性降低頻率至大約20 kHz。CCFF可最大限度提高額定負載和輕負載效率。特別是,可將待機損耗減少到最低限度。該控制器具有一系列強大的保護功能,可妥善處理各種電源工作和故障條件。NCP1611拓展了傳統CrM PFC控制器的優勢。圖2是NCP1611典型應用電路圖。

圖2:NCP1611典型應用電路圖。


作為增強型PFC控制器,NCP1611採用電流控制頻率反走CrM模式及跳周期模式,可優化整個負載範圍內的效率,實現更好的輕負載效率,以及非常強大的安全特性。
  
NCP1611獨特的關鍵特性包括:動態響應增強器用於提供快速的線路/負載瞬態響應;寬Vcc範圍最高達35 V,帶門電壓鉗位功能;啟動電流典型值為20 ?A,最高50 ?A(A版本Vcc啟動電壓10.5 V;B版本為17 V);線路範圍檢測功能調節及優化環路增益;A版本提供軟啟動功能,B版本能使用較小Vcc電容,易於啟動;谷底導通功能利於提供最佳能效及產生極低電磁干擾(EMI)。
  
在安全性方面,NCP1611具有Vcc欠壓鎖定(UVLO)及線路輸入欠壓(BO)保護;在電感飽和或旁路二極體短路條件下提供過流保護(OCP);輸出過壓保護(軟OVP及快速OVP)及欠壓保護(UVP);反饋開路關閉及接地開路故障監控;以及過熱關閉。圖3所示是NCP1611的穩壓工作情況。


  
圖3:NCP1611的穩壓工作。
  
 

此外,NCP1611還具有其它特性,如快速負載瞬態特性、最大Vcc為35 V的內部14 V門電壓鉗位、順利啟動運行軟啟動(A版)、強大的開路和引腳短路保護、熱關斷等。NCP1611還可以實現穩壓工作,輕易解決開路及短路引腳故障,提升安全性;即使是在接地引腳開路的條件下該元件也可受到保護。
  
由於具備了上述優異的特性,NCP1611的市場及應用主要涵蓋大型平板電視、電腦電源、高功率適配器、LED照明和鎮流器,以及功率大於300 W的PFC應用。

CCFF架構詳解及與CrM架構比較

如圖3所示,安森美半導體開發的CCFF架構的定時器僅控制死區時間,利用定時器對應電流電平調節死區時間,反走頻率限製為>20 kHz,具有市場上領先的性能。


  
圖3:電流控制頻率反走(CCFF)架構。


具體講,CCFF架構具有固定導通時間控制和頻率反走特性。在大電流時,電路以臨界導電模式工作。小電流時(重負載時接近線路過零點,輕載時位於全部正弦方波),因此,磁芯複位後下一個周期並不會立即啟動;相反,定時器開始調節死區時間;電流越小,定時器持續時間(死區時間)越長;定時器持續時間取決於大小;定時器僅控制死區時間(不控制開關周期/關閉時間)。由於死區時間不受電流周期時長變化的影響,因此可以毫不猶豫地進行谷底導通。


  
圖4:演示板能效比較(紅色:帶跳周期模式的CCFF;綠色:關閉跳周期功能的CCFF;紫色:CrM)

採用CCFF控制架構,最大的好處莫過於提升能效。採用傳統CrM(臨界導電模式)/BCM(邊界線導電模式),在負載降低時,開關頻率上升;負載極低時,控制器可能進入“跳周期模式”,滋生可聽雜訊。而採用CCFF控制架構,可以在負載降低時降低開關頻率,減小功率損耗;在輕載時,控制器可以鉗位高於可聽雜訊頻段的較低頻率;負載極低時,則採用跳周期模式工作(可以輕易關閉)。因此,這種穀底導通可進一步提升能效,減小電磁干擾。圖4比較了基於NCP1611CCFF PFC及傳統CrM PFC在不同負載條件下的能效。由圖中可見,在10%輕載條件下,基於帶跳周期模式的NCP1611的演示板的能效高達近97%(關閉跳周期模式下也達近96%),而基於傳統CrM架構的演示板能效僅為近87%,相關近10%。可見NCP1611在提升電源輕載能效方面表現尤為優異。
  
小結:

NCP1611 PFC控制器採用新穎及正待批專利的控制技術——電流控制頻率反走,以臨界導電模式/不連續導電模式(DCM)工作,並帶有谷底開關,可在寬工作電源範圍下提供極佳能效,在寬負載範圍下可提供高功率因數及良好的總諧波失真(THD)性能。這種新穎的PFC控制器與傳統CrM PFC控制器相比,具有更高的故障處理能力、更佳的瞬態響應,可靈活支持不同偏置情形。值得一提的是,NCP1611 PFC控制器專門進行了優化,尤其適合平板電視、電源適配器、高能效電腦電源及LED驅動器電源等應用。

供稿:安森美半導體

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