便于功率因數(shù)校正的控制器NCP1601

摘要：臨界導(dǎo)電模式(BCM)目前是滿足中低功率應(yīng)用中功率因數(shù)校正(PFC)穩(wěn)壓的最常用方案。但是，這種解決方案的開關(guān)頻率的方差很大，使得在噪聲敏感和大功率范圍應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)BCM電路很困難。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一個(gè)創(chuàng)新的功率因數(shù)控制器—NCP1601，可以在固定頻率和不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)中工作。為了達(dá)到整功率因數(shù)，電路根據(jù)在先前開關(guān)周期中測得的死區(qū)時(shí)間長度調(diào)制功率開關(guān)導(dǎo)電時(shí)間。本文講述NCP1601方案和功能。

引言

在BCM中，線圈電流上升到所需平均值的兩倍，然后回到零。新的電流周期在線圈電流達(dá)到零以后馬上開始(參見圖1)。

如圖1所示，開關(guān)頻率隨著交流線路和負(fù)載而劇烈變化。這種特性引起許多問題。其中最主要的問題是難以濾除EMI和/或產(chǎn)生對由PFC段供電的系統(tǒng)的干擾(比如一些噪聲在顯示器屏幕上可見)。而且，在輕負(fù)載和/或高交流電壓下存在高頻，因而實(shí)際上不能在這個(gè)解決方案中使用緩沖網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@種解決方案會產(chǎn)生太高的損耗。

也應(yīng)注意到BCM系統(tǒng)會產(chǎn)生高達(dá)500 kHz的頻率。這時(shí)控制電路內(nèi)部所有的傳輸延遲，或電源開關(guān)反應(yīng)時(shí)間不再可以忽略，這通常會使電流波形產(chǎn)生失真。于是，功率因數(shù)下降。

為了解決這些問題，NCP1601內(nèi)置新穎的方案，工作在頻率受控模式，從本質(zhì)上可實(shí)現(xiàn)整功率因數(shù)。

NCP1601方案

如圖2所示，不連續(xù)導(dǎo)電模式產(chǎn)生由以下三個(gè)階段構(gòu)成的線圈電流三角形：

NCP1601僅需極少的外接元件。

交流線路電流是由輸入電容和EMI濾波器對圖2中的線圈電流三角形進(jìn)行濾波后的結(jié)果。若要達(dá)到整功率因數(shù)，要求每個(gè)開關(guān)周期的平均電流與輸入電壓成正比?，F(xiàn)在，開關(guān)周期Tsw的平均線圈電流是：

(1)

其中Tsw是電路振蕩器或外部同步信號強(qiáng)制的開關(guān)周期，而是線圈電流在Tsw內(nèi)的平均值：

如果按如下定義電流周期的相對長度(dcycle)：，dcycle=tcycle/Tsw=(ton+tdemag)/Tsw而且假設(shè)峰值線圈電流給出如下：，線圈電流平均值可以簡單表示為：

(2)

如圖2中所詳細(xì)描述，NCP1601可使(ton*dcycle)項(xiàng)保持恒定，使得任何開關(guān)周期內(nèi)的線圈平均電流和輸入電壓Vin成正比。因此平均輸入電流是正弦的，可以達(dá)到整功率因數(shù)(即功率因數(shù)為1)。

實(shí)際上，電路檢測死區(qū)時(shí)間，為了補(bǔ)償它，要調(diào)制功率開關(guān)導(dǎo)電時(shí)間，使得(ton*dcycle)在一個(gè)輸入電壓周期內(nèi)保持恒定。

在MOSFET導(dǎo)電時(shí)間，線圈電流從零上升到所需交流線路電流的兩倍。此時(shí)，功率開關(guān)斷開，電流下降到零。為了簡化，只顯示了8個(gè)“電流三角形”。實(shí)際上，他們的頻率比交流線路的頻率高得多。

圖1 臨界導(dǎo)電模式

圖2 不連續(xù)導(dǎo)電模式中的線圈電流

圖3-NCP1601應(yīng)用原理圖

不連續(xù)或臨界導(dǎo)電模式?

振蕩器/同步模塊產(chǎn)生時(shí)鐘信號，啟動功率開關(guān)。但是，只要有一些電流保持流過線圈，NCP1601就不讓任何MOSFET導(dǎo)電。這種方案保護(hù)功率元件免受因連續(xù)開關(guān)序列導(dǎo)致的過大的應(yīng)力。因此有兩種情況：

1.時(shí)鐘脈沖發(fā)生，但沒有電流流過線圈(死區(qū)時(shí)間)。在這種情況下，功率MOSFET立即導(dǎo)電。

2.時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生時(shí)，有一些電流流過線圈。時(shí)鐘信號存儲在電路中，功率開關(guān)在磁心復(fù)位前不導(dǎo)電。

因此，NCP1601不會跳過在磁心復(fù)位之前發(fā)生的時(shí)鐘脈沖。相反，它存儲信息，并且一旦線圈去磁，便開始一個(gè)新的電流周期。換句話說，只要線圈電流周期大于時(shí)鐘周期，NCP1601就進(jìn)入臨界導(dǎo)電模式。這種方案有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：

1.可以避免因跳周期而造成功率傳輸?shù)牟贿B續(xù)性。假設(shè)電流周期比時(shí)鐘周期稍短，而且功率需求的少許增加可使它更長。如果電路等待磁心復(fù)位后的下一個(gè)時(shí)鐘，開關(guān)周期大約會減半。因此，增加功率需求會降低(臨時(shí)的)功率傳輸!當(dāng)電流周期比時(shí)鐘周期長時(shí)，通過進(jìn)入真正的BCM工作，NCP1601消除了這種效應(yīng)。

2.因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間存在，和BCM相比，DCM傾向于需要更高的峰值和均方根電流。因此，BCM在大多數(shù)應(yīng)力條件下(低線電壓、高功率)是強(qiáng)制性的，以避免任何功率元件承受過大應(yīng)力。當(dāng)功率需求高時(shí)(線圈電流周期長)，系統(tǒng)能夠不減弱任何性能就進(jìn)入BCM，既滿足要求且優(yōu)化應(yīng)用的尺寸。