便于功率因数校正的控制器NCP1601

2004年6月A版

摘  要：   临界导电模式(BCM)目前是满足中低功率应用中功率因数校正(PFC)稳压的最常用方案。但是，这种解决方案的开关频率的方差很大，使得在噪声敏感和大功率范围应用中实现BCM电路很困难。为了克服这个缺点，安森美半导体开发了一个创新的功率因数控制器—NCP1601，可以在固定频率和不连续导电模式(DCM)中工作。为了达到整功率因数，电路根据在先前开关周期中测得的死区时间长度调制功率开关导电时间。本文讲述NCP1601方案和功能。

引言

　　在BCM中，线圈电流上升到所需平均值的两倍，然后回到零。新的电流周期在线圈电流达到零以后马上开始(参见图1)。

　　如图1所示，开关频率随着交流线路和负载而剧烈变化。这种特性引起许多问题。其中最主要的问题是难以滤除EMI和/或产生对由PFC段供电的系统的干扰(比如一些噪声在显示器屏幕上可见)。而且，在轻负载和/或高交流电压下存在高频，因而实际上不能在这个解决方案中使用缓冲网络，因为这种解决方案会产生太高的损耗。

　　也应注意到BCM系统会产生高达500 kHz的频率。这时控制电路内部所有的传输延迟，或电源开关反应时间不再可以忽略，这通常会使电流波形产生失真。于是，功率因数下降。

　　为了解决这些问题，NCP1601内置新颖的方案，工作在频率受控模式，从本质上可实现整功率因数。

NCP1601方案

　　如图2所示，不连续导电模式产生由以下三个阶段构成的线圈电流三角形：NCP1601仅需极少的外接元件。

　　交流线路电流是由输入电容和EMI滤波器对图2中的线圈电流三角形进行滤波后的结果。若要达到整功率因数，要求每个开关周期的平均电流与输入电压成正比。现在，开关周期Tsw的平均线圈电流是：

  (1)

　　其中Tsw是电路振荡器或外部同步信号强制的开关周期，而是线圈电流在Tsw内的平均值：

　　如果按如下定义电流周期的相对长度(dcycle)：，dcycle=tcycle/Tsw=(ton+tdemag)/Tsw而且假设峰值线圈电流给出如下：，线圈电流平均值可以简单表示为：

       (2)

　　如图2中所详细描述，NCP1601可使(ton*dcycle)项保持恒定，使得任何开关周期内的线圈平均电流和输入电压Vin成正比。因此平均输入电流是正弦的，可以达到整功率因数(即功率因数为1)。

　　实际上，电路检测死区时间，为了补偿它，要调制功率开关导电时间，使得(ton*dcycle)在一个输入电压周期内保持恒定。

　　在MOSFET导电时间，线圈电流从零上升到所需交流线路电流的两倍。此时，功率开关断开，电流下降到零。为了简化，只显示了8个“电流三角形”。实际上，他们的频率比交流线路的频率高得多。

不连续或临界导电模式?

　　振荡器/同步模块产生时钟信号，启动功率开关。但是，只要有一些电流保持流过线圈，NCP1601就不让任何MOSFET导电。这种方案保护功率元件免受因连续开关序列导致的过大的应力。因此有两种情况：

　　1.时钟脉冲发生，但没有电流流过线圈(死区时间)。在这种情况下，功率MOSFET立即导电。

　　2.时钟脉冲产生时，有一些电流流过线圈。时钟信号存储在电路中，功率开关在磁心复位前不导电。

　　因此，NCP1601不会跳过在磁心复位之前发生的时钟脉冲。相反，它存储信息，并且一旦线圈去磁，便开始一个新的电流周期。换句话说，只要线圈电流周期大于时钟周期，NCP1601就进入临界导电模式。这种方案有两个主要的优点：

　　1.可以避免因跳周期而造成功率传输的不连续性。假设电流周期比时钟周期稍短，而且功率需求的少许增加可使它更长。如果电路等待磁心复位后的下一个时钟，开关周期大约会减半。因此，增加功率需求会降低(临时的)功率传输!当电流周期比时钟周期长时，通过进入真正的BCM工作，NCP1601消除了这种效应。

　　2.因为死区时间存在，和BCM相比，DCM倾向于需要更高的峰值和均方根电流。因此，BCM在大多数应力条件下(低线电压、高功率)是强制性的，以避免任何功率元件承受过大应力。当功率需求高时(线圈电流周期长)，系统能够不减弱任何性能就进入BCM，既满足要求且优化应用的尺寸。

　　还应注意到，在传统的BCM PFC阶段中需要一个大线圈，以避免轻载时发生过高的频率。NCP1601为固定频率工作，消除了这种不方便。所以此电路方案也有助于减小线圈尺寸。

实验结果

　　展示的结果来自一块电路板，它设计从90 V到265 V交流线路上吸收150 W功率。

　　开关频率设置在60 kHz左右。

　　由于此应用中在最大应力条件下存在死区时间，为了避免由它引起功率元件承受过大应力，选择电感(400mH / 5 A)，使得在低线电压和高功率时工作在临界导电模式中。

实验表明：

　　因此，NCP1601是在中低功率应用中进行功率因数校正的有效解决方案。

结语

　　NCP1601具有临界导电模式(BCM)电路的优点：

　　另外，它没有BCM解决方案中开关频率变化大的缺点。这些特性使NCP1601成为中低功率应用中的理想选择。■

参考文献：

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'.