便于功率因數(shù)校正的控制器NCP1601

2004年6月A版

摘  要：   臨界導(dǎo)電模式(BCM)目前是滿足中低功率應(yīng)用中功率因數(shù)校正(PFC)穩(wěn)壓的最常用方案。但是，這種解決方案的開關(guān)頻率的方差很大，使得在噪聲敏感和大功率范圍應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)BCM電路很困難。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一個(gè)創(chuàng)新的功率因數(shù)控制器—NCP1601，可以在固定頻率和不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)中工作。為了達(dá)到整功率因數(shù)，電路根據(jù)在先前開關(guān)周期中測(cè)得的死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度調(diào)制功率開關(guān)導(dǎo)電時(shí)間。本文講述NCP1601方案和功能。

引言

　　在BCM中，線圈電流上升到所需平均值的兩倍，然后回到零。新的電流周期在線圈電流達(dá)到零以后馬上開始(參見圖1)。

　　如圖1所示，開關(guān)頻率隨著交流線路和負(fù)載而劇烈變化。這種特性引起許多問題。其中最主要的問題是難以濾除EMI和/或產(chǎn)生對(duì)由PFC段供電的系統(tǒng)的干擾(比如一些噪聲在顯示器屏幕上可見)。而且，在輕負(fù)載和/或高交流電壓下存在高頻，因而實(shí)際上不能在這個(gè)解決方案中使用緩沖網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@種解決方案會(huì)產(chǎn)生太高的損耗。

　　也應(yīng)注意到BCM系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)500 kHz的頻率。這時(shí)控制電路內(nèi)部所有的傳輸延遲，或電源開關(guān)反應(yīng)時(shí)間不再可以忽略，這通常會(huì)使電流波形產(chǎn)生失真。于是，功率因數(shù)下降。

　　為了解決這些問題，NCP1601內(nèi)置新穎的方案，工作在頻率受控模式，從本質(zhì)上可實(shí)現(xiàn)整功率因數(shù)。

NCP1601方案

　　如圖2所示，不連續(xù)導(dǎo)電模式產(chǎn)生由以下三個(gè)階段構(gòu)成的線圈電流三角形：NCP1601僅需極少的外接元件。

　　交流線路電流是由輸入電容和EMI濾波器對(duì)圖2中的線圈電流三角形進(jìn)行濾波后的結(jié)果。若要達(dá)到整功率因數(shù)，要求每個(gè)開關(guān)周期的平均電流與輸入電壓成正比?，F(xiàn)在，開關(guān)周期Tsw的平均線圈電流是：

  (1)

　　其中Tsw是電路振蕩器或外部同步信號(hào)強(qiáng)制的開關(guān)周期，而是線圈電流在Tsw內(nèi)的平均值：

　　如果按如下定義電流周期的相對(duì)長(zhǎng)度(dcycle)：，dcycle=tcycle/Tsw=(ton+tdemag)/Tsw而且假設(shè)峰值線圈電流給出如下：，線圈電流平均值可以簡(jiǎn)單表示為：

       (2)

　　如圖2中所詳細(xì)描述，NCP1601可使(ton*dcycle)項(xiàng)保持恒定，使得任何開關(guān)周期內(nèi)的線圈平均電流和輸入電壓Vin成正比。因此平均輸入電流是正弦的，可以達(dá)到整功率因數(shù)(即功率因數(shù)為1)。

　　實(shí)際上，電路檢測(cè)死區(qū)時(shí)間，為了補(bǔ)償它，要調(diào)制功率開關(guān)導(dǎo)電時(shí)間，使得(ton*dcycle)在一個(gè)輸入電壓周期內(nèi)保持恒定。

　　在MOSFET導(dǎo)電時(shí)間，線圈電流從零上升到所需交流線路電流的兩倍。此時(shí)，功率開關(guān)斷開，電流下降到零。為了簡(jiǎn)化，只顯示了8個(gè)“電流三角形”。實(shí)際上，他們的頻率比交流線路的頻率高得多。

不連續(xù)或臨界導(dǎo)電模式?

　　振蕩器/同步模塊產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，啟動(dòng)功率開關(guān)。但是，只要有一些電流保持流過線圈，NCP1601就不讓任何MOSFET導(dǎo)電。這種方案保護(hù)功率元件免受因連續(xù)開關(guān)序列導(dǎo)致的過大的應(yīng)力。因此有兩種情況：

　　1.時(shí)鐘脈沖發(fā)生，但沒有電流流過線圈(死區(qū)時(shí)間)。在這種情況下，功率MOSFET立即導(dǎo)電。

　　2.時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生時(shí)，有一些電流流過線圈。時(shí)鐘信號(hào)存儲(chǔ)在電路中，功率開關(guān)在磁心復(fù)位前不導(dǎo)電。

　　因此，NCP1601不會(huì)跳過在磁心復(fù)位之前發(fā)生的時(shí)鐘脈沖。相反，它存儲(chǔ)信息，并且一旦線圈去磁，便開始一個(gè)新的電流周期。換句話說，只要線圈電流周期大于時(shí)鐘周期，NCP1601就進(jìn)入臨界導(dǎo)電模式。這種方案有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：

　　1.可以避免因跳周期而造成功率傳輸?shù)牟贿B續(xù)性。假設(shè)電流周期比時(shí)鐘周期稍短，而且功率需求的少許增加可使它更長(zhǎng)。如果電路等待磁心復(fù)位后的下一個(gè)時(shí)鐘，開關(guān)周期大約會(huì)減半。因此，增加功率需求會(huì)降低(臨時(shí)的)功率傳輸!當(dāng)電流周期比時(shí)鐘周期長(zhǎng)時(shí)，通過進(jìn)入真正的BCM工作，NCP1601消除了這種效應(yīng)。

　　2.因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間存在，和BCM相比，DCM傾向于需要更高的峰值和均方根電流。因此，BCM在大多數(shù)應(yīng)力條件下(低線電壓、高功率)是強(qiáng)制性的，以避免任何功率元件承受過大應(yīng)力。當(dāng)功率需求高時(shí)(線圈電流周期長(zhǎng))，系統(tǒng)能夠不減弱任何性能就進(jìn)入BCM，既滿足要求且優(yōu)化應(yīng)用的尺寸。

　　還應(yīng)注意到，在傳統(tǒng)的BCM PFC階段中需要一個(gè)大線圈，以避免輕載時(shí)發(fā)生過高的頻率。NCP1601為固定頻率工作，消除了這種不方便。所以此電路方案也有助于減小線圈尺寸。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　展示的結(jié)果來自一塊電路板，它設(shè)計(jì)從90 V到265 V交流線路上吸收150 W功率。

　　開關(guān)頻率設(shè)置在60 kHz左右。

　　由于此應(yīng)用中在最大應(yīng)力條件下存在死區(qū)時(shí)間，為了避免由它引起功率元件承受過大應(yīng)力，選擇電感(400mH / 5 A)，使得在低線電壓和高功率時(shí)工作在臨界導(dǎo)電模式中。

實(shí)驗(yàn)表明：

　　因此，NCP1601是在中低功率應(yīng)用中進(jìn)行功率因數(shù)校正的有效解決方案。

結(jié)語(yǔ)

　　NCP1601具有臨界導(dǎo)電模式(BCM)電路的優(yōu)點(diǎn)：

　　另外，它沒有BCM解決方案中開關(guān)頻率變化大的缺點(diǎn)。這些特性使NCP1601成為中低功率應(yīng)用中的理想選擇?！?/P>

參考文獻(xiàn)：

1. AND8123/D, 'Power Factor Correction Stages Operating in Critical Conduction Mode', September 2003, www.onsemi.com

2. PCIM Europe 2004 Proceedings, 'A novel scheme for current shaping circuits, yields unity power factor in fixed frequency and discontinuous mode'.