深度解析onsemi FL7921R：集成PFC與PWM的照明控制器

在電子工程師的日常工作中，高效、穩(wěn)定且功能豐富的電源管理芯片是設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討onsemi推出的FL7921R，一款高度集成的PFC和準(zhǔn)諧振PWM照明控制器，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處。

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一、產(chǎn)品概述

FL7921R將功率因數(shù)校正（PFC）控制器和準(zhǔn)諧振PWM控制器集成于一體，這種高度集成的設(shè)計(jì)不僅降低了成本，還減少了外部組件的使用數(shù)量。對(duì)于PFC部分，它采用受控導(dǎo)通時(shí)間技術(shù)來提供穩(wěn)定的直流輸出電壓，并實(shí)現(xiàn)自然的功率因數(shù)校正。同時(shí)，創(chuàng)新的THD優(yōu)化器可減少過零期間的輸入電流失真，提高THD性能。而且，無論P(yáng)WM級(jí)負(fù)載條件如何，PFC功能始終開啟，確保在輕負(fù)載條件下也能實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。對(duì)于PWM部分，它提供了多種功能來增強(qiáng)電源系統(tǒng)性能，如谷底檢測(cè)、綠色模式操作、高低線過功率補(bǔ)償?shù)取４送?，還具備多種保護(hù)功能，除PWM電流檢測(cè)引腳開路保護(hù)外，其他保護(hù)均為自動(dòng)恢復(fù)模式。該控制器采用16引腳小外形封裝（SOP）。

二、產(chǎn)品特性

（一）集成設(shè)計(jì)

集成PFC和反激控制器，將PFC和PWM功能集成在一起，簡化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（二）工作模式

1. 臨界模式PFC控制器：采用臨界模式工作，提高了功率因數(shù)，減少了諧波失真。
2. 準(zhǔn)諧振PWM級(jí)操作：準(zhǔn)諧振操作降低了開關(guān)損耗，提高了效率。

   （三）內(nèi)部特性

3. 內(nèi)部最小tOFF時(shí)間：QR PWM級(jí)內(nèi)部最小tOFF時(shí)間為8μs，有助于穩(wěn)定開關(guān)頻率。
4. 內(nèi)部軟啟動(dòng)：PWM內(nèi)部有10ms軟啟動(dòng)，減少了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。

   （四）保護(hù)功能

5. 欠壓保護(hù)：具備欠壓保護(hù)功能，確保在輸入電壓異常時(shí)系統(tǒng)能安全工作。
6. 過功率補(bǔ)償：高低線過功率補(bǔ)償功能，使系統(tǒng)在不同輸入電壓下都能穩(wěn)定輸出。
7. 自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)：包括過流保護(hù)、開環(huán)保護(hù)、過溫保護(hù)、VDD引腳和輸出電壓過壓保護(hù)等，且大部分保護(hù)為自動(dòng)恢復(fù)模式，提高了系統(tǒng)的可靠性。

   （五）環(huán)保特性

   該器件為無鉛器件，符合環(huán)保要求。

三、引腳配置與定義

（一）RANGE引腳

其阻抗根據(jù)VIN引腳電壓電平變化。當(dāng)VIN引腳檢測(cè)到的輸入電壓低于閾值電壓時(shí)，設(shè)置為高阻抗；輸入電壓處于高電平時(shí)，設(shè)置為低阻抗。

（二）COMP引腳

誤差放大器的輸出引腳，是用于PFC輸出電壓反饋的跨導(dǎo)型誤差放大器，內(nèi)置專有多向量電流，可簡化PFC電壓反饋環(huán)路的補(bǔ)償電路。

（三）INV引腳

誤差放大器的反相輸入引腳，用于通過分壓器接收PFC電壓電平，并提供PFC輸出過壓和欠壓保護(hù)。

（四）CSPFC引腳

PFC過流保護(hù)比較器的輸入，當(dāng)PFC電流檢測(cè)電阻兩端的感應(yīng)電壓達(dá)到內(nèi)部閾值（典型值0.82V）時(shí)，PFC開關(guān)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制保護(hù)。

（五）CSPWM引腳

PWM過流保護(hù)比較器的輸入，與FB引腳電壓一起實(shí)現(xiàn)PWM電流模式控制，用于逐周期電流限制、電流模式控制和高低線過功率補(bǔ)償。

（六）OPFC引腳

圖騰柱驅(qū)動(dòng)器輸出，用于驅(qū)動(dòng)外部功率MOSFET，鉗位柵極輸出電壓為15.5V。

（七）VDD引腳

電源引腳，啟動(dòng)和關(guān)閉的閾值電壓分別為18V和7.5V，啟動(dòng)電流小于30μA，工作電流低于10mA。

（八）OPWM引腳

圖騰柱輸出，產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部功率MOSFET，鉗位柵極輸出電壓為17.5V。

（九）GND引腳

電源地和信號(hào)地。

（十）DET引腳

連接到PWM變壓器的輔助繞組，用于產(chǎn)生偏移電壓以補(bǔ)償PWM電流限制的閾值電壓，實(shí)現(xiàn)過功率補(bǔ)償；檢測(cè)PWM開關(guān)漏極電壓的谷底電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)谷底電壓開關(guān)，降低開關(guān)損耗；提供輸出過壓保護(hù)。

（十一）FB引腳

反饋電壓引腳，用于接收輸出電壓/電流電平信號(hào)，確定PWM柵極占空比以調(diào)節(jié)輸出電壓/電流。當(dāng)FB引腳電壓高于約4.2V超過50ms時(shí)，可激活開環(huán)、過載和輸出短路保護(hù)。

（十二）RT引腳

可調(diào)節(jié)過溫保護(hù)，當(dāng)RT引腳電壓低于0.8V（典型值）時(shí)，控制器停止所有PFC和PWM開關(guān)操作并進(jìn)入自動(dòng)恢復(fù)模式。

（十三）ZCD引腳

PFC級(jí)的零電流檢測(cè)引腳，連接到與PFC電感繞組耦合的輔助繞組，檢測(cè)零電流檢測(cè)電壓信號(hào)。當(dāng)ZCD引腳電壓拉低至0.2V（典型值）以下時(shí)，禁用PFC級(jí)。

（十四）HV引腳

高壓啟動(dòng)引腳，通過一個(gè)典型值為100kΩ的電阻連接到交流線路電壓，為控制器提供啟動(dòng)電流。

四、電氣特性

文檔中詳細(xì)列出了FL7921R在不同條件下的電氣特性參數(shù)，包括VDD部分、HV啟動(dòng)電流源部分、VIN和RANGE部分、PFC級(jí)、PWM級(jí)等各個(gè)部分的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)。這些參數(shù)是工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)的重要依據(jù)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行合理選擇和調(diào)整。例如，VDD的過壓保護(hù)閾值為24 - 25V，PFC級(jí)的跨導(dǎo)典型值為125μmho等。

五、典型性能特性

文檔給出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。這些曲線直觀地展示了FL7921R在不同條件下的性能表現(xiàn)，工程師可以通過這些曲線更好地了解芯片的特性，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

六、功能描述

（一）PFC階段

1. 多向量誤差放大器和THD優(yōu)化器：采用跨導(dǎo)型放大器和專有多向量誤差放大器，提高了動(dòng)態(tài)性能和瞬態(tài)響應(yīng)速度。同時(shí)，創(chuàng)新的THD優(yōu)化器通過采樣電流檢測(cè)電阻兩端的電壓，調(diào)制PFC柵極導(dǎo)通時(shí)間，改善輕負(fù)載條件下的THD性能。
2. RANGE引腳：內(nèi)置低壓MOSFET，根據(jù)VIN引腳電壓電平控制導(dǎo)通或關(guān)斷，改變RANGE引腳的阻抗。
3. 零電流檢測(cè)（ZCD引腳）：通過檢測(cè)PFC電感輔助繞組的信息，實(shí)現(xiàn)零電流檢測(cè)。當(dāng)ZCD引腳電壓低于觸發(fā)電壓時(shí)，發(fā)送PFC柵極信號(hào)開始新的開關(guān)周期。同時(shí)，內(nèi)置抑制定時(shí)器限制最小tOFF時(shí)間，防止輕負(fù)載時(shí)開關(guān)頻率過高。
4. PFC階段保護(hù)
   • PFC輸出電壓UVP和OVP（INV引腳）：通過INV引腳檢測(cè)PFC輸出過壓和欠壓情況，當(dāng)INV引腳電壓超過2.75V或低于0.45V并持續(xù)一定去抖時(shí)間時(shí)，激活OVP或UVP電路，停止PFC開關(guān)操作。
   • PFC峰值電流限制（CSPFC引腳）：通過檢測(cè)CSPFC引腳電流檢測(cè)電阻兩端的電壓，當(dāng)電壓高于閾值電壓（典型值0.82V）時(shí)，立即關(guān)閉PFC柵極。
   • 欠壓/過壓保護(hù)（VIN引腳）：通過VIN引腳檢測(cè)交流輸入電壓，當(dāng)AC電壓下降且VIN電壓低于1V持續(xù)100ms時(shí)，激活UVP保護(hù)，限制PFC輸出電壓。當(dāng)INV引腳電壓低于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)閉電壓后再上升到開啟電壓。

（二）PWM階段

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)置高壓啟動(dòng)電路，在電源系統(tǒng)上電時(shí)提供大電流為外部VDD電容充電，縮短啟動(dòng)時(shí)間。VDD電壓超過開啟電壓進(jìn)入正常工作后，關(guān)閉高壓啟動(dòng)電路以節(jié)省功耗。
2. 綠色模式（FB引腳）：通過FB引腳電壓調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，當(dāng)輸出負(fù)載降低時(shí)，延長tOFF - MIN時(shí)間，激活內(nèi)部谷底檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展谷底開關(guān)，降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。
3. 谷底檢測(cè)（DET引腳）：在PWM開關(guān)tOFF時(shí)間內(nèi)，當(dāng)變壓器電感電流放電到零，變壓器電感和PWM開關(guān)寄生電容開始諧振，DET引腳檢測(cè)到谷底信號(hào)后，經(jīng)過固定延遲發(fā)送PWM柵極信號(hào)。
4. 高低線過功率補(bǔ)償（DET引腳）：根據(jù)輸入電壓的變化，通過DET引腳的電流調(diào)節(jié)PWM開關(guān)的電流限制水平，使不同輸入電壓下的最大輸出功率接近。
5. 前沿消隱（LEB）：內(nèi)置前沿消隱時(shí)間，防止PFC或PWM開關(guān)開啟時(shí)電流檢測(cè)電阻上的電壓尖峰誤觸發(fā)保護(hù)。
6. PWM階段保護(hù)
   • VDD引腳過壓保護(hù)（OVP）：防止VDD電壓高于器件額定電壓，發(fā)生過壓時(shí)控制器進(jìn)入自動(dòng)恢復(fù)模式。
   • 可調(diào)節(jié)過溫保護(hù)和外部鎖存觸發(fā)（RT引腳）：通過RT引腳連接NTC電阻實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)，當(dāng)RT引腳電壓低于0.8V并持續(xù)一定去抖時(shí)間時(shí)，激活自動(dòng)恢復(fù)模式。也可通過外部觸發(fā)電路拉低RT引腳激活保護(hù)。
   • 輸出過壓保護(hù)（DET引腳）：通過檢測(cè)DET引腳的平坦電壓，與內(nèi)部閾值電壓2.5V比較，當(dāng)超過閾值時(shí)進(jìn)入自動(dòng)恢復(fù)模式。
   • 開環(huán)、短路和過載保護(hù)（FB引腳）：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）：VDD的開啟和關(guān)閉閾值電壓分別為18V和10V，啟動(dòng)時(shí)通過HV啟動(dòng)電流為VDD電容充電，當(dāng)VDD電壓達(dá)到開啟電壓且無保護(hù)觸發(fā)時(shí)，開始所有開關(guān)操作。

七、訂購信息與機(jī)械尺寸

文檔提供了FL7921R的訂購信息，包括型號(hào)、保護(hù)模式、工作溫度范圍、封裝和包裝形式等。同時(shí)，給出了SOIC - 16封裝的機(jī)械尺寸，方便工程師進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。

綜上所述，onsemi的FL7921R是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的照明控制器，適用于中高功率LED照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理利用其各種功能和特性，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用類似芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。