【導(dǎo)讀】歐盟的IEC61000-3-2諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了功率大于25 W的照明應(yīng)用的總諧波失真性能，最大限制相當(dāng)于總諧波失真(THD)< 35%，功率因數(shù)(PF)>0.94。因此提高產(chǎn)品能效顯得十分重要。創(chuàng)新的電流控制頻率反走(CCFF)技術(shù)使模擬功率因數(shù)校正(PFC)控制器能夠在完整負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效，并且還可以完成快速瞬態(tài)響應(yīng)及簡化電路設(shè)計(jì)。
諸如歐盟耗能產(chǎn)品(ErP)指令等嚴(yán)格生態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)要求電視、膝上型及臺式電腦、熒光燈鎮(zhèn)流器和LED照明驅(qū)動器等日常使用的產(chǎn)品提供極高能效。為了確保在產(chǎn)品級通過必要的批準(zhǔn)，如在歐盟銷售的商品須獲得強(qiáng)制的CE標(biāo)志，新設(shè)計(jì)必須符合包括待機(jī)、部分負(fù)載或滿載條件的寬負(fù)載范圍能效目標(biāo)。
此外，設(shè)計(jì)人員也面臨符合以有競爭力的價(jià)格提供高性能標(biāo)準(zhǔn)之市場需求的壓力。控制功率因數(shù)校正(PFC)(功率高于70W之應(yīng)用強(qiáng)制要求PFC)的集成電路(IC)集成越來越多的功能，通過減少電源元件數(shù)量及降低對電容等大體積、規(guī)格過高的器件的依賴，可以幫助滿足此要求。
有源PFC補(bǔ)償由電源導(dǎo)致、會增加電氣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)熱量及干擾的線路電流諧波失真。由于對能效的顧慮已經(jīng)延伸，不僅涵蓋待機(jī)及降低功率模式，還包括滿額功率模式，傳統(tǒng)PFC控制工作的缺點(diǎn)就變得越來越受注目。采用臨界導(dǎo)電模式(CrM)工作的傳統(tǒng)PFC控制器的能效在電源輕載工作時(shí)往往會降低，如電器在待機(jī)模式下就是如此。
轉(zhuǎn)向數(shù)字PFC，還是不轉(zhuǎn)？
某些芯片制造商已將數(shù)字PFC作為克服此局限的出路。通過將感測模擬電壓轉(zhuǎn)換至數(shù)字域，然后應(yīng)用信號處理算法，數(shù)字控制器就不受線性特性的限制，在任何負(fù)載條件下都可以合成 極優(yōu)的輸出波形。不同模式下的能效取決于芯片制造商開發(fā)的算法品質(zhì)。市場上近期推出的數(shù)字PFC控制器還集成了通過I2C等標(biāo)準(zhǔn)連接實(shí)現(xiàn)的診斷及用戶可編程等功能。
然而，有關(guān)模擬PFC將被數(shù)字PFC替代的傳言在過去已經(jīng)被證明是夸大其辭。在這種情況下，要想削弱傳統(tǒng)模擬PFC控制器的一些關(guān)鍵優(yōu)勢可能還為時(shí)尚早。雖然制造商們聲稱數(shù)字PFC控制器相比模擬PFC控制器具有成本優(yōu)勢，特別是在系統(tǒng)級考慮成本時(shí)，但市場上的模擬PFC控制器的價(jià)格比最新數(shù)字PFC控制器更低。某些數(shù)字PFC控制器自推出第一代產(chǎn)品以來，價(jià)格實(shí)際上已經(jīng)上漲。此外，最新模擬PFC控制器中集成的保護(hù)電路及輸入欠壓檢測等特性能夠提供僅使用極少外部元件的更具價(jià)格競爭力的設(shè)計(jì)。
最新世代的模擬PFC控制器通過采用電流控制頻率反走(CCFF)等創(chuàng)新技術(shù)，能夠提供更高的能效。安森美半導(dǎo)體的NCP1611和NCP1612PFC控制器中應(yīng)用了這種新的工作模式。CCFF使控制器在寬負(fù)載內(nèi)維持高能效，包括輕載和待機(jī)工作條件，以及較高負(fù)載條件。這些控制器還應(yīng)用了增強(qiáng)型特性，改善故障處理及瞬態(tài)響應(yīng)，并支持不同偏置場景，為設(shè)計(jì)人員提供額外的靈活性。
提升所有負(fù)載條件下的能效
在CCFF架構(gòu)下，電路在大電流條件下采用臨界導(dǎo)電模式(CrM)工作。在重負(fù)載條件下臨近過零點(diǎn)時(shí)會出現(xiàn)低電流電平，而輕載條件下完整正弦方波皆為低電流電平；而在低電流電平時(shí)，控制器進(jìn)入頻率受控不連續(xù)工作模式。定時(shí)器會插入死區(qū)時(shí)間，延遲啟動，直到從表征輸入電流的感測電壓上升至內(nèi)部產(chǎn)生的精密2.5 V“斜坡閾值”之斜坡所需時(shí)間用完。因此，較低輸入電流的死區(qū)時(shí)間更長。圖1通過不同負(fù)載條件下升壓MOSFET的電壓波形顯示了CCFF的工作原理。
圖1：帶定時(shí)器死亡區(qū)時(shí)間控制的CCFF架構(gòu)
定時(shí)器控制死區(qū)時(shí)間而非開關(guān)周期/關(guān)閉時(shí)間。當(dāng)電流為零時(shí)，反走頻率被限制為最低的20 kHz。控制器通過這種方式將額定負(fù)載及輕載條件下的能效均提升至最高，特別是待機(jī)損耗被降至最低。通過延遲MOSFET導(dǎo)通時(shí)間點(diǎn)直至漏極-源極電壓到達(dá)其谷底，進(jìn)一步降低了損耗。谷底開關(guān)還將產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)減至最少。另一項(xiàng)優(yōu)勢是系統(tǒng)不會在谷底之間停滯。由于死區(qū)時(shí)間不受電流周期時(shí)長變化的影響，谷底導(dǎo)通的發(fā)生不帶有遲滯。
我們可以將CCFF工作模式與負(fù)載下降時(shí)開關(guān)頻率上升的傳統(tǒng)CrM作比較。當(dāng)極輕負(fù)載時(shí)，傳統(tǒng)CrM控制器可能進(jìn)入突發(fā)(burst)模式，產(chǎn)生可聽噪聲。相比較而言，CCFF控制器的較低頻率被鉗位至高于可聽頻率范圍，因而防止產(chǎn)生可聽噪聲。
與頻率控制臨界導(dǎo)電模式(FCCrM)控制器類似，CCFF控制器的內(nèi)部電路能夠提供接近于1的功率因數(shù)，即便是在開關(guān)頻率降低的情況下。此外，跳周期模式使 PFC能夠跳過電流極低時(shí)線路過零點(diǎn)附近的周期，提供優(yōu)化的能效。這就避免了電源轉(zhuǎn)換能效特別低時(shí)的電路工作。應(yīng)當(dāng)注意的是，這種模式會產(chǎn)生一些電流波形失真。因此，跳周期模式不應(yīng)當(dāng)用于要求極高功率因數(shù)的應(yīng)用。圖2比較了CCFF控制器在跳周期模式及非跳周期模式與傳統(tǒng)CrM控制的能效。
圖2：帶定時(shí)器死亡區(qū)時(shí)間控制的CCFF架構(gòu)
如何改善功率因素（PFC）和電源的性能
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滿足新應(yīng)用需求的先進(jìn)PFC技術(shù)及解決方案
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增強(qiáng)控制器功能
集成快速線路/負(fù)載瞬態(tài)補(bǔ)償進(jìn)一步增強(qiáng)了PFC性能，避免由負(fù)載或輸入電壓突然變化(如啟動時(shí))導(dǎo)致的 過多過沖或欠沖。這問題在傳統(tǒng)PFC段中比較常見，原因就在于通常較低的環(huán)路帶寬。相比較而言，NCP1611在輸出電壓下降至低于其穩(wěn)壓電平的95.5%時(shí)大幅加快穩(wěn)壓環(huán)路。這功能僅在PFC段已經(jīng)啟動以配合出現(xiàn)軟啟動工作后才啟用。如果輸出電壓超過期望電平的105%，軟過壓保護(hù)(Soft OVP)將提供的功率線性降低至零。如果輸出持續(xù)上升，當(dāng)輸出電壓到達(dá)期望電平的107%時(shí)，此電路立即中斷功率提供。
此外，此控制器提供兩個(gè)版本，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)工作電壓范圍優(yōu)化啟動電流。其中，NCP1611B的供電電壓范圍達(dá)17V，非常適合于自偏置應(yīng)用。它的低啟動電流特性支持使用高阻抗啟動電阻，無需大VCC電容，幫助縮短啟動時(shí)間。NCP1611A最大啟動電壓電平為11.5V，能采用12V電源軌供電。它提供軟啟動功能，非常適合于電路由輔助電源等外部電源或下行轉(zhuǎn)換器供電的應(yīng)用。
NCP1611還片上提供多種重要的保護(hù)功能，可以省去分立保護(hù)電路。集成的保護(hù)功能包括雙電平限流，在旁路或升壓二極管短路的情況下，能夠關(guān)閉電源開關(guān)或進(jìn)入減小占空比的模式。這器件還應(yīng)用了欠壓保護(hù)、輸入欠壓檢測及過熱關(guān)閉。
輸出段包含經(jīng)過優(yōu)化的圖騰柱(totem pole)電路，用于將高頻工作期間的跨導(dǎo)(cross-conduction)電流減至最小。輸出電路的高驅(qū)動能力使控制器能夠直接連接至擁有大門電荷(Qg)值的功率MOSFET。圖3顯示了采用NCP1611控制的升壓PFC電路的基本電路圖。
圖3：采用CCFF控制器的升壓PFC
對于優(yōu)化寬負(fù)載范圍條件下PFC能效來說，轉(zhuǎn)向數(shù)字PFC是不錯的一種方式，然而利用已獲證明之模擬技術(shù)優(yōu)勢的創(chuàng)新型 PFC控制器、創(chuàng)新的電流控制頻率反走(CCFF)技術(shù)，不僅能夠使模擬功率因數(shù)校正(PFC)控制器能夠在完整負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效，可以完成快速瞬態(tài)響應(yīng)及簡化電路設(shè)計(jì)，還能為設(shè)計(jì)人員提供更簡單、性價(jià)比可能更高的方案。
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