Onsemi NCP1681：創(chuàng)新型圖騰柱PFC控制器的技術(shù)解析

在電源設(shè)計領(lǐng)域，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)對于提高電源效率和減少諧波失真至關(guān)重要。今天，我們來深入探討Onsemi的NCP1681圖騰柱PFC控制器，看看它是如何在這方面發(fā)揮出色性能的。

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一、NCP1681概述

NCP1681是一款創(chuàng)新的多模式（MM）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）功率因數(shù)校正（PFC）控制器IC，專為驅(qū)動無橋圖騰柱PFC拓?fù)涠O(shè)計。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩個圖騰柱支路組成：一個以PWM開關(guān)頻率快速開關(guān)的支路和一個以交流線路頻率運(yùn)行的支路。它消除了傳統(tǒng)PFC電路輸入處的二極管橋，顯著提高了效率和功率密度。NCP1681有固定頻率（NCP1681Ax）和多模式（NCP1681Bx）兩種版本可供選擇。

1. 一般特性

• 高效與緊湊設(shè)計：圖騰柱PFC拓?fù)湎溯斎攵O管橋，實現(xiàn)了非常高的效率和緊湊的設(shè)計。
• 多種監(jiān)測與保護(hù)功能：具備交流線路監(jiān)測電路、交流相位檢測、欠壓檢測、數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/li>
• 新穎的電流傳感方案：提供電感電流上升和下降斜率傳感，還有PFCOK指示燈。
• 優(yōu)化輕載性能：具有跳過/待機(jī)模式，在所有運(yùn)行模式下都能實現(xiàn)接近單位功率因數(shù)。
• 多模式運(yùn)行：在重載條件下采用連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），在輕載和中載條件下采用臨界導(dǎo)通模式（CrM），還可選擇在整個負(fù)載范圍內(nèi)采用固定頻率CCM。

2. 安全特性

• 過壓保護(hù)：具備軟和快速過壓保護(hù)，有2級鎖存輸入用于過壓保護(hù)（OVP）和過溫保護(hù)（OTP）。
• 欠壓保護(hù)：包括大容量欠壓保護(hù)和內(nèi)部熱關(guān)斷功能。
• 電流限制：采用逐周期電流限制，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

NCP1681適用于多種領(lǐng)域，如云/服務(wù)器電源、高性能計算、5G/電信電源、工業(yè)電源、超高密度（UHD）電源和商用電源等。

二、圖騰柱PFC工作原理

1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖騰柱PFC電路由兩個半橋配置組成，一個是“快速支路”，以PWM頻率開關(guān)；另一個是“慢速支路”，以交流線路頻率開關(guān)?？焖僦烽_關(guān)起到傳統(tǒng)升壓PFC中開關(guān)和二極管的作用，調(diào)節(jié)輸出電壓并整形輸入電流，以提供高功率因數(shù)和低諧波失真；慢速支路開關(guān)則起到傳統(tǒng)升壓PFC中二極管橋的作用，使用低導(dǎo)通電阻的有源開關(guān)代替二極管，提高了效率。

2. 正半周期和負(fù)半周期操作

• 正半周期：PWML信號負(fù)責(zé)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制或占空比控制。當(dāng)PWML信號為高時，低側(cè)快速支路設(shè)備導(dǎo)通，電流對電感充電并儲存能量；當(dāng)PWML信號為低時，電感電流通過高側(cè)快速支路開關(guān)轉(zhuǎn)移能量到負(fù)載。在整個正半周期，電流從左到右流過電感，并通過低側(cè)慢速支路設(shè)備返回源，因此SRL信號會使相應(yīng)的慢速支路設(shè)備導(dǎo)通，以實現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)換器效率。
• 負(fù)半周期：PWMH信號負(fù)責(zé)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制或占空比控制。當(dāng)PWMH信號為高時，高側(cè)快速支路設(shè)備導(dǎo)通，電流對電感充電并儲存能量；當(dāng)PWMH信號為低時，電感電流通過低側(cè)快速支路開關(guān)轉(zhuǎn)移能量到負(fù)載。在整個負(fù)半周期，電流從右到左流過電感，并通過高側(cè)慢速支路設(shè)備返回源，因此SRH信號會使相應(yīng)的慢速支路設(shè)備導(dǎo)通，以實現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)換器效率。

三、關(guān)鍵功能分析

1. (V_{CC})管理和啟動序列

NCP1681控制器需要至少(V{CC(ON)})（通常為10.5 V）的電源偏置才能啟用并開始正常運(yùn)行。由于控制器沒有內(nèi)部高壓啟動功能，偏置電源必須來自外部源，如專用輔助電源或下游轉(zhuǎn)換器。此外，控制器必須有足夠的輸入電壓（BONOK清除），并驗證交流線路頻率在預(yù)期的運(yùn)行范圍內(nèi)（(N{DRV_EN} ≥4)），然后才能在下次極性上升沿上電，將啟動與正半周期同步。

2. 線電壓傳感

外部電阻分壓器用于將兩個高壓節(jié)點分壓，以執(zhí)行差分線傳感。推薦的通用輸入消費(fèi)應(yīng)用的分壓系數(shù)為(K_{L_DIV})（通常為100），使得與NCP1681接口的低壓信號約為被監(jiān)測高壓信號的1%。LVSNS1引腳與主升壓電感的低頻節(jié)點接口，LVSNS2引腳與慢速支路功率開關(guān)的橋電壓接口。內(nèi)部線路檢測器電路具有高輸入阻抗，允許使用大的外部電阻，以最小化分壓器中的功率損耗，實現(xiàn)低空載功耗。

3. 極性檢測

通過直接比較兩個線感測信號來確定它們的交叉點，交叉點表示交流線路電壓的極性發(fā)生了變化。外部濾波電容可提高極性檢測電路的抗噪能力，推薦的RC濾波器時間常數(shù)約為20 - 200 μs。輸出信號還會通過數(shù)字毛刺濾波器，提供額外的抗干擾能力。

4. 交流線路頻率監(jiān)測

NCP1681控制器具有可選的線路頻率監(jiān)測電路，利用定時器和計數(shù)器監(jiān)測交流線路頻率，確保極性比較器輸出的切換速率與45 - 65 Hz的市電頻率規(guī)范一致。如果測量的時間間隔超出預(yù)期頻率范圍，控制器將禁用慢速支路驅(qū)動信號，并啟動100 ms的定時器。如果在定時器到期前測量到符合規(guī)范的時間間隔，則定時器重置，慢速支路驅(qū)動脈沖再次啟用。如果極性切換持續(xù)超出市電頻率規(guī)范且定時器到期，控制器將禁用快速支路驅(qū)動脈沖并進(jìn)入故障模式。

5. 欠壓和線路下垂保護(hù)

NCP1681具有線路電壓欠壓（BO）和線路下垂（SAG）檢測功能。當(dāng)峰值線路電壓超過(V{BO(start)})（通常為1.1 V）時，驅(qū)動脈沖啟用；當(dāng)線路電壓低于(V{BO(stop)})（通常為1 V）并持續(xù)一定時間時，驅(qū)動脈沖禁用。SAG定時器（25 ms）允許應(yīng)用在單個交流線路周期內(nèi)承受線路電壓下降，而NCP1681繼續(xù)提供驅(qū)動脈沖。如果SAG定時器到期，控制器將進(jìn)入軟停止期，逐漸降低內(nèi)部控制電壓和PWM脈沖寬度，減少功率輸出。如果650 ms的欠壓定時器到期，NCP1681將禁用極性檢測電路并重置設(shè)備。

6. 線路范圍檢測

NCP1681具有輸入電壓范圍檢測功能，可區(qū)分高線（標(biāo)稱230 VAC）和低線（標(biāo)稱115 VAC）輸入電壓。根據(jù)重構(gòu)的(V{LINE})信號的峰值電壓檢測輸入電壓范圍。默認(rèn)情況下，控制器上電進(jìn)入低線模式。如果(V{LINE})超過高線閾值（通常為2.36 V）并持續(xù)超過(t{filter(HV)})（通常為300 μs），控制器將轉(zhuǎn)換到高線模式。一旦進(jìn)入高線模式，峰值線路電壓必須低于(V{LL})（通常為2.22 V）并持續(xù)超過(t_{blank(LL)})（通常為25 ms），才能回到低線模式。為防止控制器在低線和高線模式之間振蕩，設(shè)置了500 ms的鎖定定時器。

7. 交流零交叉管理

該功能決定了在每個半周期開始和結(jié)束時何時啟用和禁用各種驅(qū)動信號，對圖騰柱拓?fù)涞聂敯粜院托阅苤陵P(guān)重要。NCP1681有6個驅(qū)動信號，可分為三類：主PWM驅(qū)動信號、同步PWM驅(qū)動信號和慢速支路“整流器”或SR驅(qū)動信號。每個驅(qū)動信號都有相應(yīng)的停止和啟動閾值，這些閾值是線路電壓幅度(V_{LINE})的函數(shù)。所有閾值都包含滯后，以確保穩(wěn)定運(yùn)行，并且所有驅(qū)動信號在交流線路電壓達(dá)到真正的零交叉之前都被禁用，以保證極性信號的精度和魯棒性。

8. 開環(huán)驅(qū)動脈沖

在極性轉(zhuǎn)換后立即發(fā)出開環(huán)驅(qū)動脈沖，用于將慢速支路橋節(jié)點電壓從(V_{BULK})轉(zhuǎn)換到0 V（或反之）。使用較短的驅(qū)動脈沖和較小的固定占空比來啟動慢速支路橋節(jié)點轉(zhuǎn)換，主占空比控制FET的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間逐漸增加，以協(xié)助慢速支路橋節(jié)點電壓在大容量電壓和地之間轉(zhuǎn)換。在開環(huán)驅(qū)動脈沖期間，慢速支路驅(qū)動和（1 - d）驅(qū)動保持低電平，電流感測輸入被屏蔽。

四、運(yùn)行模式

1. 多模式運(yùn)行（NCP1681Bx）

• FCCrM：當(dāng)開關(guān)頻率低于130 kHz的頻率鉗位閾值時，控制器在可變頻率臨界導(dǎo)通模式（CrM）下運(yùn)行。一旦開關(guān)頻率超過鉗位頻率，控制器將轉(zhuǎn)換到不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），并將下一個開關(guān)周期的導(dǎo)通與開關(guān)節(jié)點諧振的谷值同步。
• DCM：隨著負(fù)載降低，轉(zhuǎn)換器可能在整個交流半周期內(nèi)以DCM模式運(yùn)行，在不同的谷值處切換。進(jìn)一步降低負(fù)載時，控制器進(jìn)入開關(guān)頻率降低模式，負(fù)載越輕，開關(guān)頻率越低。當(dāng)負(fù)載接近0時，控制器將開關(guān)頻率鉗位到最小值（通常約為30 kHz），以減輕可聽噪聲。
• CCM：在重載時，當(dāng)電感電流導(dǎo)通時間定期超過CCM開關(guān)周期(T_{CCM})的112%時，實現(xiàn)固定頻率CCM運(yùn)行。此外，還需要滿足多個條件才能轉(zhuǎn)換到CCM運(yùn)行，并且轉(zhuǎn)換到CCM后，需要滿足一定條件才能退出CCM。

2. 固定頻率PWM運(yùn)行（NCP1681Ax）

NCP1681采用預(yù)測平均電流模式控制方案來實現(xiàn)功率因數(shù)校正和輸出電壓調(diào)節(jié)。通過跨導(dǎo)乘法器感測電感電流，并產(chǎn)生與電感電流成比例的輸出電流。乘法器的輸出電流輸入到外部電阻(R{M})，設(shè)置乘法器電壓(V{M})，用于占空比調(diào)制。為了實現(xiàn)良好的功率因數(shù)和低諧波失真，PFC轉(zhuǎn)換器必須控制電感電流的幅度，使其跟隨交流輸入電壓的波形。NCP1681通過數(shù)字補(bǔ)償器和乘法器電壓控制占空比來實現(xiàn)這一點。

五、保護(hù)和增強(qiáng)功能

1. 輸出電壓保護(hù)

NCP1681具有多種輸出電壓保護(hù)功能，包括軟過壓保護(hù)（OVP）、欠壓保護(hù)（UVP）、動態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器（DRE）等。軟OVP在反饋電壓超過(V{REF})的105%時觸發(fā)，以4個步驟將功率輸出降低到零；快速OVP在反饋電壓超過(V{REF})的108%時立即屏蔽驅(qū)動脈沖；DRE在FB引腳電壓低于(V_{REF})的95.5%時增加控制環(huán)路的增益，以減少輸出電壓的下沖；UVP在FB引腳電壓低于300 mV時觸發(fā)，保護(hù)電路免受FB引腳開路或短路的影響。

2. 輔助繞組和谷值檢測

NCP1681采用新穎的“谷值”傳感方案，結(jié)合邊緣檢測和閾值檢測，以適應(yīng)圖騰柱PFC在正半周期和負(fù)半周期的不同運(yùn)行方式。在正半周期，谷值檢測在輔助電壓超過200 mV時啟動，在低于100 mV時觸發(fā)；在負(fù)半周期，情況相反。推薦的輔助繞組連接包括電阻(R{AUX1})、下拉電阻(R{AUX2})、肖特基二極管(D{AUX})和電容(C{AUX})，以優(yōu)化谷值檢測的對稱性和效率。

3. 電感電流傳感

NCP1681采用新穎的電流傳感方案，通過CS輸入和ZCD輸入分別感測電感電流的上升和下降斜率，并將這兩個信號相加，以重構(gòu)電感電流的圖像。CS輸入使用兩個電流互感器和一個電流感測電阻，并需要一個“屏蔽”電路來選擇性地將互感器輸出接地。ZCD輸入可以使用高功率、低電感的電流感測電阻或電流互感器電路。

4. 過載和峰值電流限制保護(hù)

CS引腳用于逐周期峰值電流限制和過載保護(hù)，當(dāng)峰值電流達(dá)到限制閾值時，立即終止占空比控制的驅(qū)動脈沖。通過計算最大峰值電感電流和CS電阻值，可以確定合適的電流限制。

5. THD增強(qiáng)器

THD增強(qiáng)器根據(jù)CS電壓小于(V_{CS(MIN)})閾值的時間產(chǎn)生小的導(dǎo)通時間擴(kuò)展，在輕載和接近交流零交叉時，電感電流幅度減小，CS電壓低于該閾值的時間延長，從而產(chǎn)生更大的導(dǎo)通時間擴(kuò)展。該功能僅在NCP1681Bx的CrM/DCM模式下有效，與死區(qū)時間補(bǔ)償電路配合使用，可優(yōu)化整個線路和負(fù)載范圍內(nèi)的THD性能。

6. 電流感測開路/短路保護(hù)

為了保護(hù)CS引腳免受開路或短路的影響，NCP1681具有內(nèi)部1 μA上拉電流和第二級電流限制比較器。如果CS引腳開路，上拉電流源將引腳電壓拉高于比較器閾值，導(dǎo)致驅(qū)動脈沖終止，并啟動過應(yīng)力定時器。如果CS引腳短路到地，控制器在預(yù)啟動階段輸出230 μA測試電流，測量外部產(chǎn)生的最小電壓，若電壓小于150 mV，則禁止操作。

7. 零電流檢測（ZCD）輸入

ZCD輸入感測電感電流在（1 - d）部分的下降斜率或去磁過程。推薦的傳感元件可以是高功率、低電感的電流感測電阻或電流互感器電路。通過計算ZCD電阻值，確保CS和ZCD輸入的信號幅度大致相等。

8. 同步PWM驅(qū)動控制

同步PWM或（1 - d）設(shè)備在圖騰柱PFC拓?fù)渲刑岣吡诵?，但需要適當(dāng)?shù)拈T控來優(yōu)化效率和確保系統(tǒng)的魯棒性。NCP1681采用死區(qū)時間(T{DT1})（通常為130 ns）來防止交叉導(dǎo)通，在死區(qū)時間到期后，控制器等待ZCD電壓超過(V{ZCD(ARM)})閾值來啟用同步驅(qū)動。在輕載時，ZCD電壓可能不會超過該閾值，同步設(shè)備不會啟用，以避免開關(guān)損耗對整體效率的影響。在重載時，同步驅(qū)動保持啟用，直到ZCD電壓低于(V{ZCD(TRIG)})閾值。在CCM模式下，還增加了額外的死區(qū)時間(t{DT2})（通常為150 ns），在新開關(guān)周期開始前150 ns關(guān)閉同步驅(qū)動脈沖，以防止兩個開關(guān)的交叉導(dǎo)通。

9. 跳過/待機(jī)模式

NCP1681的跳過/待機(jī)模式使應(yīng)用能夠在空載和輕載時實現(xiàn)良好的性能。設(shè)備必須通過脈沖PFCOK或(V{M})引腳來外部命令進(jìn)入跳過模式，建議使用PFCOK引腳進(jìn)行控制。進(jìn)入跳過模式后，設(shè)備除了FB和(V{CC})監(jiān)測外，大部分功能都停止，內(nèi)部功耗降低到(I_{CC4})（通常為540 μA）。輸出電壓下降到調(diào)節(jié)電壓的94%，在一段時間內(nèi)保持不活動狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓達(dá)到其標(biāo)稱值的94%時，設(shè)備退出跳過模式，短暫啟動驅(qū)動，將輸出電壓推回到標(biāo)稱調(diào)節(jié)值。只要NCP1681繼續(xù)從外部源接收跳過命令脈沖，設(shè)備將繼續(xù)以跳過 - 突發(fā) - 跳過模式運(yùn)行。

10. PFCOK操作

PFCOK引腳用于控制下游DC - DC轉(zhuǎn)換器的操作，作為啟用或欠壓鎖定（UVLO）信號。當(dāng)應(yīng)用處于正常運(yùn)行時，引腳輸出為高；當(dāng)應(yīng)用處于啟動或檢測到故障條件時，引腳輸出為低。引腳輸出是與FB引腳電壓成比例的電流源，增益為10 μA/V。在應(yīng)用啟動時，PFCOK引腳保持接地，直到(V{FB})電壓達(dá)到(V{REF})的98%。一旦FB電壓超過(V_{REF})的98%，內(nèi)部PFCOK標(biāo)志變?yōu)楦?，啟用同步PWM和慢速支路SR驅(qū)動脈沖。PFCOK標(biāo)志還控制跳過模式操作和大容量欠壓（BUV）故障，確保設(shè)備在達(dá)到調(diào)節(jié)之前無法進(jìn)入跳過模式或宣布BUV故障。

11. 故障引腳和故障矩陣

NCP1681的故障引腳可用于檢測過溫故障和過壓保護(hù)。通過NTC熱敏電阻檢測過溫故障，當(dāng)熱敏電阻電壓低于(V{FLT(OTP)})（通常為0.4 V）時，控制器檢測到故障。OTP故障是可自動恢復(fù)的，當(dāng)故障引腳電壓超過(V{FLT(REC)})（通常為0.92 V）時，NCP1681將啟用開關(guān)。過壓保護(hù)通過將故障引腳電壓拉高于(V_{FLT(OVP)})（通常為3.0 V）來鎖定控制器。故障矩陣總結(jié)了各種故障的設(shè)置條件、復(fù)位條件和控制器的具體操作，確保系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能夠及時響應(yīng)和保護(hù)。

六、總結(jié)

Onsemi的NCP1681圖騰柱PFC控制器以其創(chuàng)新的設(shè)計和豐富的功能，為電源設(shè)計工程師提供了一個強(qiáng)大的工具。它不僅提高了電源的效率和功率密度，還具備多種保護(hù)和增強(qiáng)功能，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性