深入解析 onsemi FAN6921BMR：集成 PFC 與 PWM 控制器的卓越之選

在電子電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定且功能豐富的控制器是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。onsemi 的 FAN6921BMR 集成了功率因數(shù)校正（PFC）控制器和準(zhǔn)諧振 PWM 控制器，為電源設(shè)計(jì)帶來了諸多優(yōu)勢(shì)。本文將深入剖析 FAN6921BMR 的特性、功能及應(yīng)用，為電子工程師提供全面的參考。

文件下載：FAN6921BMR-D.PDF

一、產(chǎn)品概述

FAN6921BMR 是一款高度集成的控制器，它將 PFC 控制器和準(zhǔn)諧振 PWM 控制器合二為一。這種集成設(shè)計(jì)不僅降低了成本，還減少了外部組件的使用，使電源設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔高效。

1.1 PFC 功能

在 PFC 方面，F(xiàn)AN6921BMR 采用受控導(dǎo)通時(shí)間技術(shù)，能夠提供穩(wěn)定的直流輸出電壓，并實(shí)現(xiàn)自然的功率因數(shù)校正。其創(chuàng)新的 THD 優(yōu)化器可減少過零期間的輸入電流失真，顯著改善總諧波失真（THD）性能。

1.2 PWM 功能

對(duì)于 PWM 部分，F(xiàn)AN6921BMR 具備多種功能以提升電源系統(tǒng)性能，如谷底檢測(cè)、綠色模式操作以及高低線過功率補(bǔ)償?shù)?。同時(shí)，它還提供了豐富的保護(hù)功能，包括二次側(cè)開環(huán)和過流自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)、外部鎖存觸發(fā)、通過 RT 引腳和外部 NTC 電阻實(shí)現(xiàn)的可調(diào)過溫保護(hù)、內(nèi)部過溫關(guān)斷、VDD 引腳過壓保護(hù)、DET 引腳過壓用于輸出過壓保護(hù)以及交流輸入電壓欠壓保護(hù)（Brown - in / out）。

二、產(chǎn)品特性

2.1 集成設(shè)計(jì)

集成 PFC 和反激控制器，采用臨界模式 PFC 控制器，PFC 階段具備零電流檢測(cè)功能，PWM 階段實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振操作，且內(nèi)部為 QR PWM 階段設(shè)置了最小關(guān)斷時(shí)間 8μs。

2.2 軟啟動(dòng)與保護(hù)

內(nèi)部為 PWM 提供 10ms 軟啟動(dòng)，具備欠壓保護(hù)、高低線過功率補(bǔ)償、自動(dòng)恢復(fù)過流保護(hù)、自動(dòng)恢復(fù)開環(huán)保護(hù)、外部鎖存觸發(fā)（RT 引腳）、可調(diào)過溫鎖存（RT 引腳）、VDD 引腳和輸出電壓過壓保護(hù)（鎖存）以及內(nèi)部過溫關(guān)斷（140°C）。此外，該器件為無鉛產(chǎn)品。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

FAN6921BMR 適用于多種電源應(yīng)用場(chǎng)景，包括 AC/DC 筆記本適配器、開放式開關(guān)電源（SMPS）以及電池充電器等。

四、引腳配置與定義

4.1 引腳配置

FAN6921BMR 采用 16 引腳小外形封裝（SOP），每個(gè)引腳都有其特定的功能。

4.2 引腳定義

五、電氣特性

5.1 絕對(duì)最大額定值

FAN6921BMR 有一系列絕對(duì)最大額定值，如 VDD 最大為 30V，VHV 最大為 500V 等。超過這些額定值可能會(huì)損壞器件，影響其功能和可靠性。

5.2 推薦工作條件

推薦的工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 +105°C，連續(xù)工作電壓最大為 25V，HV 引腳最小啟動(dòng)電壓為 50V。超出推薦工作范圍可能會(huì)影響器件的可靠性。

5.3 電氣參數(shù)

文檔詳細(xì)列出了各個(gè)部分的電氣參數(shù)，包括 VDD 部分、HV 啟動(dòng)電流源部分、VIN 和 RANGE 部分、PFC 階段、PWM 階段等的相關(guān)參數(shù)，如電壓、電流、時(shí)間等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了精確的參考。

六、典型性能特性

文檔提供了一系列典型性能特性曲線，如開啟閾值電壓、PWM 關(guān)斷閾值電壓、關(guān)斷閾值電壓、VDD 過壓保護(hù)閾值、啟動(dòng)電流、工作電流、PFC 輸出反饋參考電壓、PFC 柵極輸出鉗位電壓等。這些曲線有助于工程師了解器件在不同條件下的性能表現(xiàn)。

七、功能描述

7.1 PFC 階段

7.1.1 多矢量誤差放大器和 THD 優(yōu)化器

為了實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)性能、更快的瞬態(tài)響應(yīng)和精確的 PFC 輸出鉗位，F(xiàn)AN6921BMR 采用了跨導(dǎo)型放大器和專有創(chuàng)新的多矢量誤差放大器。當(dāng) PFC 輸出電壓變化達(dá)到參考電壓 2.5V 的 ±6% 時(shí)，多矢量誤差放大器調(diào)整其輸出吸收或源電流，以提高環(huán)路響應(yīng)并簡(jiǎn)化補(bǔ)償電路。同時(shí)，為改善輕載條件下的 THD 性能，插入了創(chuàng)新的 THD 優(yōu)化器，通過采樣電流檢測(cè)電阻上的電壓來調(diào)制 PFC 柵極導(dǎo)通時(shí)間。

7.1.2 RANGE 引腳

內(nèi)置的低壓 MOSFET 根據(jù) VVIN 電壓電平導(dǎo)通或關(guān)斷，其漏極連接到 RANGE 引腳，呈現(xiàn)出 VVIN 電壓電平與 RANGE 阻抗（開路或接地）之間的遲滯特性。

7.1.3 零電流檢測(cè)（ZDC 引腳）

通過檢測(cè) PFC 電感輔助繞組上的信息實(shí)現(xiàn)零電流檢測(cè)。當(dāng) PFC MOS 關(guān)斷，電感能量釋放，漏極電壓下降，ZCD 引腳電壓低于觸發(fā)電壓（典型值 1.75V）時(shí)，發(fā)送 PFC 柵極信號(hào)開始新的開關(guān)周期。為防止輕載時(shí)開關(guān)頻率過高，內(nèi)置抑制定時(shí)器限制最小關(guān)斷時(shí)間。

7.1.4 PFC 階段保護(hù)

• PFC 輸出電壓欠壓和過壓保護(hù)（INV 引腳）：當(dāng) INV 引腳電壓超過 2.75V 或低于 0.45V 且持續(xù)約 70ms 的去抖時(shí)間時(shí)，激活 OVP 或 UVP 電路，立即停止 PFC 開關(guān)操作。
• PFC 峰值電流限制（CSPFC 引腳）：在 PFC 階段開關(guān)操作期間，檢測(cè) CSPFC 引腳電流檢測(cè)電阻上的電壓，與閾值電壓 0.82V（典型值）比較，超過該值時(shí)立即關(guān)斷 PFC 柵極。
• Brown - In / Out 保護(hù)（VIN 引腳）：通過檢測(cè)交流輸入電壓，當(dāng) VVIN 電壓低于 1V 持續(xù) 10ms 時(shí)，激活 UVP 保護(hù)，限制 PFC 導(dǎo)通時(shí)間，降低 PFC 輸出電壓。當(dāng) INV 引腳低于 1.2V 時(shí)，停止所有 PFC 和 PWM 開關(guān)操作，直到 VDD 電壓下降到關(guān)斷電壓再上升到開啟電壓。

7.2 PWM 階段

7.2.1 HV 啟動(dòng)和工作電流（HV 引腳）

HV 引腳通過電阻連接到交流線路，內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)電路在施加交流電壓時(shí)為外部 VDD 電容提供高電流充電，加速控制器啟動(dòng)。VDD 電壓超過開啟電壓進(jìn)入正常操作后，關(guān)閉該電路以節(jié)省功耗。

7.2.2 綠色模式操作和 PFC - ON / OFF 控制（FB 引腳）

綠色模式采用關(guān)斷時(shí)間調(diào)制技術(shù)，根據(jù) FB 引腳電壓調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。輕載時(shí)，F(xiàn)B 電壓降低，延長(zhǎng) tOFF - MIN 時(shí)間，激活內(nèi)部谷底檢測(cè)電路，檢測(cè)到谷底信號(hào)后輸出 PWM 柵極信號(hào)開始新的開關(guān)周期，降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，F(xiàn)B 引腳電壓還可控制 PFC 階段的開關(guān)狀態(tài)，輕載時(shí)關(guān)閉 PFC 階段可降低功耗。

7.2.3 谷底檢測(cè)（DET 引腳）

在綠色模式下，tOFF - MIN 時(shí)間由綠色模式電路根據(jù) FB 引腳電壓確定。之后，激活內(nèi)部谷底檢測(cè)電路，檢測(cè) PWM 開關(guān)漏極電壓的谷底信號(hào)。當(dāng)輔助繞組電壓 VAUX 諧振下降到負(fù)值時(shí)，DET 引腳鉗位 VDET 電壓，F(xiàn)AN6921BMR 流出電流 IDET，當(dāng)該電流達(dá)到閾值電流時(shí)，經(jīng)過固定延遲時(shí)間（典型值 200ns）發(fā)送 PWM 柵極信號(hào)。

7.2.4 高低線過功率補(bǔ)償（DET 引腳）

由于不同交流輸入電壓下，功率開關(guān)關(guān)斷延遲時(shí)間會(huì)導(dǎo)致不同的最大輸出功率，F(xiàn)AN6921BMR 根據(jù) DET 引腳在 PWM 開關(guān)導(dǎo)通期間的電流 IDET 調(diào)節(jié) CSPWM 引腳的 VLIMIT 電壓，實(shí)現(xiàn)高低線過功率補(bǔ)償。工程師可通過調(diào)整 RDET 電阻獲得合適的 VLIMIT 電壓。

7.2.5 前沿消隱（LEB）

為防止 PFC 或 PWM 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流檢測(cè)電阻上的電壓尖峰，F(xiàn)AN6921BMR 內(nèi)置前沿消隱時(shí)間，并建議在 CSPWM 引腳和 GND 之間添加小 RC 濾波器。

7.2.6 PWM 階段保護(hù)

• VDD 引腳過壓保護(hù)（OVP）：當(dāng) VDD 電壓高于器件應(yīng)力額定電壓時(shí)，立即停止所有開關(guān)操作并進(jìn)入鎖存關(guān)斷模式，直到拔出交流插頭。
• 可調(diào)過溫保護(hù)和外部鎖存觸發(fā)（RT 引腳）：RT 引腳通過恒定電流和外部電阻（NTC 電阻和 RA 電阻）獲得電壓 VRT。當(dāng) RT 引腳電壓低于 0.8V 且持續(xù)去抖時(shí)間時(shí)，激活鎖存模式，停止所有 PFC 和 PWM 開關(guān)操作。RT 引腳還可用于外部觸發(fā)，根據(jù)不同觸發(fā)電壓設(shè)置不同的去抖時(shí)間，并建議添加小電容以避免誤觸發(fā)。
• 輸出過壓保護(hù)（DET 引腳）：在 PWM 變壓器電感放電期間，檢測(cè) DET 引腳的平坦電壓，與內(nèi)部閾值電壓 2.5V 比較，激活保護(hù)后進(jìn)入鎖存模式。保護(hù)電壓水平可由外部電阻分壓器 RA 和 RDET 的比例確定。
• 開環(huán)、短路和過載保護(hù)（FB 引腳）：輸出負(fù)載增加時(shí)，F(xiàn)B 引腳電壓升高。當(dāng) FB 引腳電壓高于 4.2V 持續(xù) 50ms 時(shí)，激活保護(hù)。
• 欠壓鎖定（UVLO，VDD 引腳）：FAN6921BMR 的 VDD 開啟和關(guān)斷閾值電壓分別固定為 18V 和 10V。啟動(dòng)時(shí)，HV 啟動(dòng)電流為 VDD 電容充電，達(dá)到開啟電壓后開始開關(guān)操作，直到 VDD 電壓下降到 VDD - PWM - OFF。

八、機(jī)械封裝尺寸

FAN6921BMR 采用 SOIC - 16，150mils 封裝，文檔詳細(xì)列出了其機(jī)械尺寸參數(shù)，包括 A、A1、b、c、D、E、E1、e、h、L、θ 等，為 PCB 設(shè)計(jì)提供了精確的尺寸信息。

綜上所述，onsemi 的 FAN6921BMR 是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的集成控制器，適用于多種電源應(yīng)用。電子工程師在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，可充分利用其豐富的功能和保護(hù)特性，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。你在使用 FAN6921BMR 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。