PFC控制器方案NCP1611的典型应用

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。

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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4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，反走频率限制为大于20 kHz，具有市场上领先的性能。

图4：电流控制频率反走(CCFF)架构。

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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5：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5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。