使用NCP1623A設(shè)計(jì)緊湊高效的PFC級(jí)的關(guān)鍵步驟

本文介紹了快速設(shè)計(jì)由 NCP1623 驅(qū)動(dòng)的 CrM/DCM PFC 級(jí)的關(guān)鍵步驟中的定義關(guān)鍵規(guī)格與功率級(jí)設(shè)計(jì)，并以實(shí)際的 100W 通用電源應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明，IC控制電路設(shè)計(jì)將在后續(xù)的推文中分享。

●  最大輸出功率：100 W

●  Rms 線路電壓范圍：90 V - 264 V

●  調(diào)節(jié)輸出電壓：

●  低壓為 250 V（115V 電源）

●  高壓為 390 V（230V 電源）

NCP1623 具有多個(gè)選項(xiàng)，本文側(cè)重于NCP1623A，它與其他版本的主要不同點(diǎn)在于輸入電壓跟隨升壓(follower boost)。NCP1623A 采用 SOIC?8 或 TSOP?6 封裝，是一款極為緊湊的 PFC 控制器，可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化 PFC 級(jí)的效率。此外，它還集成了保護(hù)功能，以確保安全可靠地運(yùn)行。一般而言，NCP1623A 適用于那些對(duì)成本效益、可靠性、高功率因數(shù)和效率比有著較高要求的系統(tǒng)：

谷底同步頻率折返：

NCP1623A 通常在臨界導(dǎo)通模式 (CrM) 下運(yùn)行，直到功率降至閾值水平以下。此時(shí)，PFC 級(jí)進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)，死區(qū)時(shí)間會(huì)隨著負(fù)載的進(jìn)一步衰減而延長(zhǎng)（頻率折返）。不僅如此，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)還提供了穩(wěn)定的谷底打開(kāi)功能，以實(shí)現(xiàn)最大效率。此外，最小頻率鉗位（通常為 33 kHz）還可防止聲頻，并對(duì)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，以確保 CrM 和 DCM 操作中的功率因數(shù)接近 1。

緊湊性：

NCP1623A 采用了創(chuàng)新的 CS/ZCD 多功能引腳，該引腳可在具有少量外部組件的小型 TSOP6（或 SOIC8）封裝中提供用于增強(qiáng)控制和保護(hù)的輸入信號(hào)。此外，NCP1623A 在低壓條件下會(huì)強(qiáng)制降低輸出調(diào)節(jié)電平，以最大程度提高 PFC 級(jí)效率并減小其尺寸。這種 2 級(jí)輸入電壓跟隨升壓(follower boost)最適合那些下游轉(zhuǎn)換器（如反激電源）能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式承受輸入電壓變化的應(yīng)用。

低 VCC 啟動(dòng)閾值：

依照設(shè)計(jì)，NCP1623A 通常會(huì)在其 VCC 電壓超過(guò) 10.5V 時(shí)啟動(dòng)，這使其非常適合那些控制器由外部電源（源自輔助電源或下游轉(zhuǎn)換器）供電的應(yīng)用。它的最大啟動(dòng)電壓 (11.25 V) 設(shè)置得足夠低，可以從傳統(tǒng)的 12 V 導(dǎo)軌供電。啟動(dòng)后，較高的 VCC 最大額定值允許較大的工作范圍 (9.5 V - 30 V)，從而方便電路饋電。

快速線路/負(fù)載瞬變補(bǔ)償：

由于 PFC 級(jí)的調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬必須較低，因此負(fù)載或輸入電壓的突然變化（例如啟動(dòng)時(shí)）可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓或欠壓。當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)，過(guò)壓保護(hù)會(huì)中斷供電。當(dāng)輸出電壓低于低檢測(cè)閾值（動(dòng)態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器 (DRE)）時(shí)，該電路會(huì)顯著加快調(diào)節(jié)環(huán)路。此功能僅在 PFC 級(jí)啟動(dòng)后啟用，以允許進(jìn)行正常的軟啟動(dòng)操作。

安全保護(hù)：

系統(tǒng)會(huì)永久監(jiān)控輸入和輸出電壓、MOSFET 電流和芯片溫度，以保護(hù)系統(tǒng)免受可能出現(xiàn)的過(guò)載，從而使 PFC 級(jí)不僅穩(wěn)健，而且可靠。除 OVP 保護(hù)外，還提供了以下保護(hù)方法：

1）最大電流限制：電路會(huì)檢測(cè) MOSFET 電流。如果檢測(cè)到的電流超過(guò)了設(shè)定的電流限值，則將其關(guān)斷。此外，由于電感器飽和或旁路二極管短路等原因，當(dāng)電流達(dá)到限值的 150% 時(shí)，電路將進(jìn)入低占空比操作模式。

2）欠壓保護(hù)：當(dāng)反饋引腳電壓 (VFB) 降至 300 mV 以下時(shí)，該電路將關(guān)斷，并且在 VFB 超過(guò) 530 mV 之前一直保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)在低壓下啟用輸入電壓跟隨升壓(follower boost)時(shí)，F(xiàn)B 引腳拉動(dòng) 25 uA 電流 (IFB(LL)) 以調(diào)低輸出電壓，而 UVP 遲滯閾值則增大至 1.2/1.3 V。如果啟動(dòng)時(shí)交流線路過(guò)低或反饋網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障（例如反饋引腳發(fā)生意外接地短路故障），此功能可保護(hù) PFC 級(jí)。

3）冗余過(guò)壓保護(hù) (OVP2)：CS/ZCD 多功能引腳用于檢測(cè)過(guò)高的輸出電壓電平，并在反饋網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯(cuò)誤（電阻值錯(cuò)誤、老化效應(yīng)…）時(shí)防止破壞性輸出電壓失控。

4）熱關(guān)斷：當(dāng)結(jié)溫超過(guò) 150°C（典型值）時(shí)，內(nèi)部熱電路會(huì)禁用柵極驅(qū)動(dòng)。一旦溫度降至約 100°C（50°C 遲滯）以下，電路將恢復(fù)工作。

便于制造和安全測(cè)試：

PFC 級(jí)的元件可能會(huì)因制造或處理事故、過(guò)大的操作應(yīng)力或其他故障而導(dǎo)致意外短路、焊接不良或損壞。特別地，控制器的相鄰引腳可能會(huì)短路、接地或連接不良。通常要求這種導(dǎo)通/關(guān)斷的情況不會(huì)引起火災(zāi)、煙霧或噪音。NCP1623A 集成了增強(qiáng)功能，可協(xié)助在諸如引腳連接不當(dāng)（包括 GND）或是升壓或旁路二極管短路的情況下滿足上述要求。

與 TSOP?6 版本相比，SOIC?8 選項(xiàng)還帶有由 DIS 引腳控制的睡眠模式。該引腳上的高電平或開(kāi)路會(huì)禁用控制器，并將 ICC 偏置電流降至 20 μA 以下（典型值）。此功能有助于滿足苛刻的待機(jī)功耗要求。

圖 1：系統(tǒng)板的電路圖

步驟 1：定義關(guān)鍵規(guī)格

●  線路頻率 fline：

面向 50 Hz/60 Hz 應(yīng)用。實(shí)際上，通常是在 47?63 Hz 的范圍內(nèi)指定該值。對(duì)于“保持時(shí)間”等的計(jì)算，必須考慮指定最低值。

●  最低線路電壓 (Vline,rms)LL：

這是 PFC 級(jí)必須運(yùn)行的最小 rms 輸入電壓。該值通常比最小典型電壓（許多國(guó)家為 100 V）低 10?12%。我們將取：(Vline,rms)LL 90 V。

●  最高線路電壓（Vline,rms）HL：

這是最大 rms 輸入電壓。它通常比最大典型電壓（許多國(guó)家為 240 V）高 10%。我們選擇：(Vline,rms)HL 264 V。

●  標(biāo)稱電壓 Vout,nom：

這是高壓線調(diào)節(jié)電壓。Vout,nom 必須高于 (√2 · (Vline,rms)HL )。我們的目標(biāo)值是 390 V。

●  低壓線輸出電壓 Vout,LL：

NCP1623A 輸入電壓跟隨升壓(follower boost)功能提供了在低壓下選擇較低調(diào)節(jié)電壓的能力，以實(shí)現(xiàn) PFC 級(jí)的尺寸和效率優(yōu)化。該值通常被設(shè)置為略高于高壓檢測(cè)閾值。我們的目標(biāo)值是 250 V。

●  磁峰-峰值輸出電壓紋波 ( Vout)pk?pk：

此參數(shù)通常以輸出電壓的百分比來(lái)指定。必須選擇等于或低于 6% VFB 磁峰-峰值紋波，以免在正常操作中觸發(fā)動(dòng)態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器 (DRE)。

●  保持時(shí)間 tHOLD?UP：

此參數(shù)指定在線路壓降期間輸出保持有效的時(shí)間。通常指定單線周期。此要求需要了解 PFC 級(jí)輸出上為確保應(yīng)用正常運(yùn)行所需的最小電壓 (Vout,min )。我們已經(jīng)假設(shè) (Vout,min = 180 V) 足夠高，可以向下游轉(zhuǎn)換器提供足夠的輸入電壓。

●  輸出功率 Pout：

這是 PFC 負(fù)載的功耗。

●  最大輸出功率 Pout,max：

這是最大輸出功率，在我們的應(yīng)用中為 150W。

●  最大輸入功率 (Pin,avg)max：

這是在正常運(yùn)行時(shí)可以從電源獲取的最大功率。該值是在滿載、低壓條件下獲得的。假設(shè)在這些條件下的效率為 95%，我們將使用：

（公式1）

步驟 2：功率級(jí)設(shè)計(jì)

在重載條件下，NCP1623A 將于臨界導(dǎo)通模式 (CrM) 下運(yùn)行。因此，電感器、大容量電容和功率硅器件的尺寸通常與其他 CrM PFC 的相同。本章不會(huì)詳細(xì)說(shuō)明這一過(guò)程，而是強(qiáng)調(diào)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

PFC 電感器

電路的導(dǎo)通時(shí)間受到內(nèi)部限制。PFC 級(jí)可以提供的功率取決于電感器，因?yàn)?L 值將確定給定導(dǎo)通時(shí)間的電流上升。具體而言，以下公式給出了 PFC 級(jí)的功率能力：

（公式2）

電感器越小，PFC 級(jí)的功率能力就越高。因此，L 必須足夠低，以便可以在最低線路電平下提供全功率：

（公式3）

與傳統(tǒng)的 CrM 應(yīng)用一樣，以下公式給出了其他重要參數(shù)：

●  最大峰值電流：

（公式4）

●  最大 rms 電流：

（公式5）

在我們的應(yīng)用中，電感器必須滿足以下要求：

（公式6）

Ton,max（典型值為 12.5 μs）的最小值為 10.8 μs，將用在公式 6 中，因?yàn)檫@是計(jì)算 L 時(shí)的最壞情況。建議選擇比公式 6 返回的電感值至少小 25% 的電感值，以獲得充足的裕量。為了系統(tǒng)的緊湊性，選擇的是 200 μH 電感器。它由用于零電流檢測(cè)的 10:1 輔助繞組組成。可以看到，CrM 操作中的開(kāi)關(guān)頻率取決于電感器值：

（公式7）

例如，在低壓、滿載（正弦曲線頂部）條件下，開(kāi)關(guān)頻率為：

（公式8）

上述計(jì)算對(duì)應(yīng)的低壓調(diào)節(jié)電壓為 250 V。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，PFC 輸出功率在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)不理想，因此實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間將延長(zhǎng)，以調(diào)節(jié)所需的負(fù)載。與公式 4、公式 5 和公式 7 中的計(jì)算結(jié)果相比，隨著導(dǎo)通時(shí)間的延長(zhǎng)，電感器峰值和 rms 電流會(huì)升高，而開(kāi)關(guān)頻率則降低。因此，建議在公式中增加至少 20% 的裕量。

功率器件

一般而言，二極管橋和功率開(kāi)關(guān)被置于同一散熱器上。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以估算散熱器必須滿足如下散熱目標(biāo)：

●  在多電源應(yīng)用中，約為輸出功率的 4%（95% 通常是目標(biāo)最低效率）

●  在單電源應(yīng)用中，約為輸出功率的 2%。在我們的多電源應(yīng)用中，大約需要消散 4 W 的熱能。在該熱能的損失源中，可以列出：

●  二極管橋的導(dǎo)通損耗可通過(guò)以下公式來(lái)估算：

（公式9）

其中 Vf 是橋式二極管的正向電壓。

●  MOSFET 導(dǎo)通損耗由下式給出：

（公式10）

在我們的應(yīng)用中，采用的是：

●  Pbridge = 2.1 W（假設(shè) Vf 為 1 V）。

●  (Pon)max = 1.03 · RDS(on) W。假設(shè) RDS(on) 在高溫下加倍，因此最大導(dǎo)通損耗約為 2.6 · RDS(on) W。

開(kāi)關(guān)損耗不易計(jì)算，我們不作預(yù)測(cè)。相反，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們會(huì)假設(shè)損耗預(yù)算等于 MOSFET 導(dǎo)通的損耗預(yù)算。實(shí)驗(yàn)測(cè)試將檢驗(yàn)它們是否低于估算值。

升壓二極管是以下導(dǎo)通損耗的來(lái)源：IOUT · Vf，其中 IOUT 是負(fù)載電流，而 Vf 是二極管正向電壓。在低壓條件下（調(diào)節(jié)電平設(shè)置為 250V 時(shí)），最大輸出電流為 0.4A，二極管導(dǎo)通損耗在 0.4W 范圍內(nèi)（假設(shè) Vf= 1 V）。PDIODE = 0.4 W。

PFC 輸出大容量電容

在定義大容量電容時(shí)，通常主要有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)/約束：

●  磁峰-峰值輸出電壓紋波：

（公式11）

其中 (ω = 2π · fline ) 是線路頻率。

磁峰-峰值 FB 引腳電壓紋波 (δVFB)pk?pk 通常低于 FB 參考電壓 (VREF= 2.5 V) 的 ±3%（6% 磁峰-峰值），以免在正常操作中在良好的裕量下觸發(fā) OVP 和 DRE 功能。反饋電阻分壓比由下式給出：

（公式12）

因此，磁峰-峰值 FB 電壓為：

（公式13）

由此，在 47 Hz 線路頻率下，將 VFB 紋波限制在 6% 的最小 CBULK 為：

（公式14）

●  保持時(shí)間的規(guī)格：

（公式15）

其中，保持時(shí)間為 10 ms。

●  Rms 電容器電流：

Rms 電流取決于負(fù)載特性。假設(shè)知道電阻負(fù)載，我們可以推導(dǎo)出其大小的以下近似表達(dá)式：

（公式16）

在我們的應(yīng)用中，采用的是：

（公式17）