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
2010-12-17 17:27:51
来源：《半导体器件应用》2010年4月刊
1 前言
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，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，150W的PFC比300W 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。
2 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。
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150μH电感(PQ2620)可用于宽主电源范围的300W 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。
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0V电压；若ICS超过210μA，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14μA（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(5V)，能够用作5V电源（电流能力5mA）。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。
3 能效测试结果及影响因素
对于基于NCP1631的300W、宽电压范围PFC预转换器演示板而言，输出电压通常为390V，满载时输出电流为770mA，20%负载时则为154mA。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1mA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63W，在154mA正确值的基础上，若产生1mA的误差，如测得为153mA或155mA，相应的能效就分别为：100×390×0.153/63 = 94.7%，及100×390×0.155/63 = 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200μH PQ2625电感与采用150μH 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。
测试显示，对于基于NCP1631的300W、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，115Vac线路电压时能效高于95.8%，230Vac线路电压时能效高于97.0%。
4 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。
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
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，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，150W的PFC比300W 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。
2 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。
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150μH电感(PQ2620)可用于宽主电源范围的300W 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。
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0V电压；若ICS超过210μA，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14μA（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(5V)，能够用作5V电源（电流能力5mA）。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。
3 能效测试结果及影响因素
对于基于NCP1631的300W、宽电压范围PFC预转换器演示板而言，输出电压通常为390V，满载时输出电流为770mA，20%负载时则为154mA。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1mA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63W，在154mA正确值的基础上，若产生1mA的误差，如测得为153mA或155mA，相应的能效就分别为：100×390×0.153/63 = 94.7%，及100×390×0.155/63 = 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200μH PQ2625电感与采用150μH 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。
测试显示，对于基于NCP1631的300W、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，115Vac线路电压时能效高于95.8%，230Vac线路电压时能效高于97.0%。
4 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。
参考资料
[1]《交错式功率因数校正》，www.onsemi.cn/pub_
[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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