深入剖析NCP1618：高效多模式功率因數(shù)控制器

在電力電子領(lǐng)域，功率因數(shù)控制器對于提高電源效率、降低諧波污染至關(guān)重要。今天我們要詳細探討的是安森美（onsemi）推出的一款高性能產(chǎn)品——NCP1618，一款創(chuàng)新的多模式功率因數(shù)控制器。

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一、產(chǎn)品概述

NCP1618是一款采用SO - 9封裝的多模式功率因數(shù)控制器，它能夠根據(jù)開關(guān)周期的持續(xù)時間在不同的工作模式之間自然切換，從而在寬范圍的輸入電壓和負載條件下實現(xiàn)效率的優(yōu)化。在極輕負載條件下，它還能進入軟跳過（Soft - SKIP）模式，以最大限度地減少損耗。

二、多模式操作

2.1 工作模式切換

NCP1618主要有連續(xù)導通模式（CCM）、頻率鉗位臨界導通模式（FCCrM）和不連續(xù)導通模式（DCM）三種工作模式。在重載條件下，電路工作在CCM模式；在中輕負載條件下，采用FCCrM模式。當臨界導通模式（CrM）的開關(guān)頻率低于130 kHz時，電路工作在CrM模式，否則工作在DCM模式。在輕負載條件下，DCM頻率會降低，并且最低DCM頻率被強制保持在25 kHz以上。在FCCrM模式下，還能實現(xiàn)谷底導通（Valley Turn - On），進一步降低損耗。

2.2 功率因數(shù)

除了軟跳過模式外，NCP1618在所有模式下都能實現(xiàn)接近單位功率因數(shù)，有效提高了電源的效率和電能質(zhì)量。

2.3 開關(guān)頻率控制

該控制器能夠?qū)㈤_關(guān)頻率牢固地控制在25 kHz至130 kHz之間，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三、一般特性

3.1 高壓啟動

NCP1618內(nèi)置高壓啟動電流源，可在啟動時為(V_{CC})電容充電，確保系統(tǒng)能夠快速啟動。

3.2 內(nèi)部補償

調(diào)節(jié)環(huán)路采用內(nèi)部補償，簡化了外部電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 X2電容放電功能

滿足安全標準要求，在交流電源斷開時，能夠自動對輸入濾波電容進行放電。

3.4 快速瞬態(tài)響應

具備快速的線路/負載瞬態(tài)補償功能，能夠在負載變化時迅速調(diào)整輸出，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。

3.5 寬(V_{CC})工作范圍

(V_{CC})的工作范圍為9.5 V至35 V，適應不同的電源環(huán)境。

3.6 線路范圍檢測

能夠檢測輸入電壓的范圍，并根據(jù)檢測結(jié)果自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

3.7 pfcOK信號

用于啟用或禁用下游轉(zhuǎn)換器，方便系統(tǒng)的控制和管理。

3.8 抖動功能

在CCM模式下，采用抖動功能，有效改善電磁干擾（EMI）特性，降低系統(tǒng)的電磁輻射。

四、保護特性

4.1 過壓保護

具備軟過壓保護和快速過壓保護功能，能夠在輸出電壓過高時及時采取措施，保護系統(tǒng)安全。

4.2 線路下垂和欠壓檢測

能夠檢測線路電壓的下垂和欠壓情況，避免系統(tǒng)在異常電壓下工作。

4.3 兩級過流檢測

對過流情況進行兩級檢測，確保系統(tǒng)在過流時能夠及時切斷電源，保護設(shè)備安全。

4.4 大容量欠壓檢測

檢測大容量電容的欠壓情況，防止下游轉(zhuǎn)換器在欠壓條件下工作。

4.5 冗余過壓保護

通過ZCD引腳實現(xiàn)冗余過壓保護（OVP2），提高系統(tǒng)的可靠性。

4.6 熱關(guān)斷

當芯片溫度超過150°C時，自動觸發(fā)熱關(guān)斷保護，防止芯片過熱損壞。

五、引腳功能

5.1 反饋引腳（FB）

接收PFC輸出電壓的一部分，用于調(diào)節(jié)和動態(tài)響應增強（DRE）功能。同時，它也是軟過壓、快速過壓和欠壓比較器的輸入信號。內(nèi)置250 nA的灌電流，防止反饋引腳意外開路時觸發(fā)欠壓保護。

5.2 PFC OK引腳（pfcOK）

在PFC輸出達到標稱水平之前，該引腳接地。當檢測到重大故障（如欠壓情況）時，也會接地。通過在該引腳和地之間連接一個電阻，可以形成一個代表輸出電壓的電壓信號，用于啟用下游轉(zhuǎn)換器并提供前饋信號。

5.3 VM引腳

在CCM模式下，為占空比調(diào)制提供電壓(V{M})。外部電阻(R{M})用于調(diào)整PFC級能夠提供的最大功率。如果再連接一個外部電容(C_{M})，則設(shè)備工作在平均電流模式；否則，工作在峰值電流模式。

5.4 CS引腳

該引腳輸出與電感電流成正比的電流(I_{CS})，用于調(diào)整CCM模式下的PFC占空比，同時也用于保護功能，如浪涌電流檢測、異常電流檢測和過流保護（OCP）。

5.5 ZCD引腳

用于監(jiān)測輔助繞組的信號，檢測電感鐵芯的復位情況，確保在不連續(xù)和臨界導通模式下實現(xiàn)谷底導通。此外，還可以利用ZCD電壓檢測大容量電容的過壓情況，減少功率輸出，并在FB引腳電壓較低時鎖定關(guān)閉芯片。

5.6 GND引腳

連接到PFC級的地。

5.7 DRV引腳

具有高電流驅(qū)動能力（ - 0.5/+0.8 A），適合驅(qū)動高柵極電荷的功率MOSFET。

5.8 (V_{CC})引腳

芯片的正電源引腳。

5.9 HV引腳

用于線路范圍檢測、線路下垂和欠壓保護，同時也是高壓啟動電路的輸入引腳。

六、啟動序列與(V_{CC})管理

當(V{CC})電壓低于(V{CC(off)})（典型值為9 V）時，內(nèi)部高壓啟動電流源會被啟用，為(V{CC})電容充電。當(V{CC})超過(V{CC(on)})時，電流源關(guān)閉，電路開始工作。(V{CC})電容存儲的能量必須足夠大，以在輔助電源接管之前維持(V{CC})高于(V{CC(off)})。該控制器具有8 V的典型欠壓鎖定（UVLO）滯回，可防止系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定操作。其較低的(V_{CC(on)})水平使其非常適合由外部電源（如輔助電源）供電的應用。

七、三種工作模式

7.1 FCCrM模式

在FCCrM模式下，電路首先工作在臨界導通模式，直到開關(guān)頻率超過(f_{clamp})（典型值為130 kHz）。此時，電路進入DCM模式，并實現(xiàn)谷底導通，以降低損耗。

7.2 CCM模式

在重載條件下，當電流周期超過CCM開關(guān)周期的112%時，電路進入CCM模式。在CCM模式下，電路在整個線路正弦波的各個部分都作為CCM控制器工作，并且至少在CCM消隱時間（(T_{CCMend})，典型值為360 ms）內(nèi)保持在CCM模式。

7.3 模式切換

電路通過比較當前電流周期的持續(xù)時間與(T{clamp})和(T{CCM})來選擇工作模式。如果電流周期小于(T{clamp})，則系統(tǒng)工作在DCM模式；如果電流周期大于(T{clamp})但小于(T{CCM})的112%，則系統(tǒng)工作在CrM模式；如果連續(xù)8個電流周期都超過(T{CCM})的112%，則系統(tǒng)進入CCM模式。

八、頻率折返

在DCM操作中，當功率需求低于某個閾值時，頻率鉗位（或DCM周期）會逐漸降低。該功率閾值取決于線路范圍和電路版本。在輕負載條件下，DCM頻率會逐漸降低，以優(yōu)化效率，但最低頻率會被強制保持在25 kHz以上，以防止產(chǎn)生可聽噪聲。

九、抖動功能

在CCM操作中，NCP1618采用抖動功能，通過內(nèi)部低頻信號調(diào)制振蕩器的擺幅，將能量分散到傳導噪聲分析中，有效改善了EMI特性。

十、CCM檢測

NCP1618通過測量每個電流周期的持續(xù)時間，并將其與(T{CCM})進行比較來檢測CCM模式。當連續(xù)檢測到8個電流周期超過(T{CCM})的112%時，電路進入CCM模式；反之，當在CCM消隱時間內(nèi)未檢測到8個連續(xù)周期超過(T_{CCM})時，電路退出CCM模式。

十一、電流檢測與保護

11.1 電流檢測

NCP1618通過檢測與電感電流成正比的負電壓來監(jiān)測電感電流。通過在返回路徑中插入電流檢測電阻(R{sense})，產(chǎn)生與電感電流成正比的負電壓(V{Rsense})。電路利用(V_{Rsense})來檢測電感電流是否超過其最大允許值。

11.2 過流保護（OCP）

當(I_{CS})超過OCP閾值（典型值為200 μA）時，檢測到過流情況，MOSFET會立即關(guān)斷，實現(xiàn)逐周期電流限制。

11.3 浪涌電流檢測

在FCCrM模式下，NCP1618會監(jiān)測輸入電流，并在電感電流消失之前延遲MOSFET的導通，以確保FCCrM模式的正常運行。

11.4 異常電流檢測

當內(nèi)部CS引腳電流(I{CS})超過(I{ILIMIT2})（設(shè)定為(I_{ILIMIT1})的150%）時，檢測到異常電流情況，DRV輸出會在電路電流下降到浪涌水平以下后保持低電平800 μs。

十二、零交叉檢測

NCP1618通過監(jiān)測輔助繞組的電壓來實現(xiàn)零交叉檢測，確保在臨界和不連續(xù)導通模式下，MOSFET能夠在谷底導通，從而優(yōu)化效率。同時，ZCD引腳還可以用于檢測過壓故障，當(V{ZCD})超過(V{OVP2})（典型值為4 V）時，PFC級會停止工作800 μs。

十三、輸出電壓控制

13.1 反饋控制

通過FB引腳接收反饋電壓，利用“跨導誤差放大器和補償”內(nèi)部模塊提供的控制信號(V_{CONTROL})來控制占空比，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

13.2 過壓保護

包括軟過壓保護和快速過壓保護。當反饋電壓超過(V{REF})的105%時，觸發(fā)軟過壓保護，功率輸出逐步降低；當反饋電壓超過(V{REF})的107%時，觸發(fā)快速過壓保護，立即停止驅(qū)動。

13.3 動態(tài)響應增強

當反饋電壓低于(V_{REF})的95.5%時，動態(tài)響應增強（DRE）電路會加快補償網(wǎng)絡(luò)的充電速度，將環(huán)路增益提高10倍，直到輸出電壓達到其標稱值的98%。

13.4 軟停止序列

在檢測到線路下垂、欠壓故障或軟跳過模式下輸出電壓達到上限時，會啟動軟停止序列，逐漸降低(V_{CONTROL})到零，以防止突然中斷可能導致的反彈效應。

十四、軟跳過模式

通過在(pfcOK)引腳或(V_{M})引腳施加負脈沖，可以使電路進入軟跳過模式。在軟跳過模式下，電路首先將輸出電壓充電到其標稱值的103%，然后進入軟停止序列，逐漸降低線路電流。當輸出電壓下降到其標稱值的98%時，電路退出深度空閑模式，恢復正常操作。

十五、pfcOK信號

(pfcOK)引腳用于控制下游轉(zhuǎn)換器的操作。當PFC級處于正常運行狀態(tài)時，該引腳為高電平；當處于啟動階段或故障狀態(tài)時，該引腳接地。通過在(pfcOK)和GND引腳之間連接外部電阻，可以獲得與大容量電容電壓成正比的電壓信號，作為下游轉(zhuǎn)換器的前饋信號。

十六、輸入電壓檢測

16.1 線路下垂檢測

檢測短時間的市電中斷，防止線路恢復時產(chǎn)生過大的應力。當檢測到線路下垂時，啟動軟停止序列，逐漸降低(V_{CONTROL})到零，并禁用CCM模式，以減少功率輸出。

16.2 欠壓保護

當(V{HV})低于(V{BO(stop)})時，啟動欠壓定時器。如果在定時器到期之前(V{HV})未超過(V{BO(start)})，則檢測到欠壓故障，PFC級停止工作。

16.3 線路范圍檢測

根據(jù)HV引腳的峰值電壓檢測輸入電壓范圍，自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。當(V{HV})超過(V{lineselect(HL)})（典型值為236 V）時，系統(tǒng)工作在“高線”模式；當(V{HV})低于(V{lineselect(LL)})（典型值為222 V）時，系統(tǒng)切換到“低線”模式。

16.4 X2電容放電

當交流電源斷開時，NCP1618會自動對輸入濾波電容進行放電，確保安全合規(guī)。通過數(shù)字采樣HV引腳的電壓并監(jiān)測其斜率，檢測線路斷開情況。當檢測到線路斷開時，HV引腳吸收電流，禁用驅(qū)動，(pfcOK)信號變?yōu)榈碗娖健?/p>

十七、故障檢測與保護

17.1 反饋引腳故障

當反饋引腳浮空時，內(nèi)置的250 nA灌電流源會將FB電壓拉低，觸發(fā)欠壓保護，防止電路異常工作。

17.2 ZCD引腳故障

當ZCD引腳浮空時，該引腳會輸出1 μA電流將引腳電壓拉高，禁用芯片；當ZCD引腳接地時，電路無法監(jiān)測ZCD信號，直到DCM最低頻率斜坡結(jié)束后，才會輸出250 μA電流拉高引腳電壓，在引腳電壓超過1 V閾值之前，不會啟動驅(qū)動脈沖。

17.3 CS引腳故障

通過比較CS引腳電壓與250 mV的閾值，檢測CS引腳是否異常。當CS引腳電壓超過閾值1 - 2 μs時，芯片會關(guān)閉800 μs。同時，當CS引腳浮空時，會輸出1 μA電流拉高引腳電壓，禁用芯片；當CS引腳接地時，會輸出250 μA電流拉高引腳電壓，在引腳電壓超過250 mV故障閾值之前，不會啟動驅(qū)動脈沖。

十八、推薦布局

正確的布局對于NCP1618的可靠運行至關(guān)重要。特別是IC的CS引腳與檢測功率電阻之間的連接組件，應盡可能靠近CS引腳，以減少噪聲耦合到高阻抗走線的可能性。

十九、總結(jié)

NCP1618是一款功能強大、性能卓越的多模式功率因數(shù)控制器，具有多種工作模式、豐富的保護特性和良好的動態(tài)響應性能。它能夠在寬范圍的輸入電壓和負載條件下實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率因數(shù)校正，適用于PC電源、離線電器等各種需要功率因數(shù)校正的應用。在實際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇電路參數(shù)和布局，以充分發(fā)揮NCP1618的優(yōu)勢。你在使用NCP1618的過程中遇到過哪些問題呢？或者對于功率因數(shù)控制器的設(shè)計，你有什么獨特的見解嗎？歡迎在評論區(qū)留言分享。