大幅提升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、高能效矽方案供應商，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主動式功率因數校正(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，當電感電流超過可設置值時，電路運行在CrM模式下。當電流低於這個預設水準，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模式及跳週期模式，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：動態回應增強器用於提供快速的線路/負載瞬態回應；寬Vcc範圍最高達35 V，帶門電壓鉗位元功能；啟動電流典型值為20 µA，最高50 µA(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；穀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)；回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門電壓鉗位元、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4所示，安森美半導體開發的CCFF架構的計時器僅控制死區時間，利用計時器對應電流電平調節死區時間，反走頻率限制為>20 kHz，具有市場上領先的性能。

圖4：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，磁芯復位後下一個週期並不會立即啟動；相反，計時器開始調節死區時間；電流越小，計時器持續時間(死區時間)越長；計時器持續時間取決於大小；計時器僅控制死區時間(不控制開關週期/關閉時間)。由於死區時間不受電流週期時長變化的影響，因此可以毫不猶豫地進行穀底導通。

圖5：演示板能效比較(紅色：帶跳週期模式的CCFF；綠色：關閉跳週期功能的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「跳週期模式」，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，則採用跳週期模式工作(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5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，基於帶跳週期模式的NCP1611的演示板的能效高達近97%(關閉跳週期模式下也達近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，並帶有穀底開關，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、更佳的瞬態回應，可靈活支持不同偏置情形。值得一提的是，NCP1611 PFC控制器專門進行了最佳化，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。