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產業動態 交錯式PFC技術趨勢及新穎的單晶片交錯式PFC控制器的應用
采杰公關顧問有限公司 本新聞稿發佈於2010/01/08,由發布之企業承擔內容之立場與責任,與本站無關

交錯式PFC支援使用較小的元器件,能夠改善熱性能、增大臨界導電模式(CrM)功率範圍並減小電流紋波,非常適合對尺寸要求極為嚴格的纖薄應用,如最新的超薄液晶電視等。安森美半導體在之前以2顆較小NCP1601實現分立式交錯式PFC的基礎上,新推出了新的2相式頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM) PFC控制器NCP1631。

 
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近年來,在一些對尺寸嚴格要求的應用中,如纖薄型液晶電視或筆記型電腦適配器等,一種新興的功率因數校正(PFC)技術-交錯式PFC的使用越來越多。所謂交錯式PFC,是在原本單個較大功率PFC段的地方並行放置2個功率為其一半的較小功率PFC段來替代1。這兩個功率較小的PFC段以180°的相移交替工作,總輸入電流(IL(tot))和總輸出電流(ID(tot))紋波都將大幅降低。

雖然交錯式PFC使用相對較多的元器件,但卻擁有很多優勢。例如,150 W的PFC比300 W PFC更易於設計、便於採取模組化途徑、散熱更好及可以擴展臨界導電模式(CrM)應用範圍等。另外,兩個不連續導電模式(DCM) PFC看上去像一個連續導電模式(CCM) PFC,簡化了電磁干擾(EMI)濾波設計,減小輸出均方根(RMS)電流,從而減少損耗及發熱,提高設計的可靠性。尤其值得稱道的是,交錯式PFC支援使用尺寸更小的元器件,從而利於纖薄設計,增強產品賣點。
圖1顯示的交錯式PFC是一種離散式的解決方案,採用了2顆NCP1601晶片。NCP1601是一款緊湊的固定頻率DCM或CrM PFC控制器,採用SOIC-8或PDIP-8封裝,能夠充分利用DCM及CrM這兩種工作模式的優勢,如DCM限制最大開關頻率,CrM限制升壓二極體、MOSFET及電感的最大電流,降低成本及提升電路可靠性。這2顆NCP1601 PFC控制器驅動2個PFC分支,這2個分支同步但獨立工作,從而保證了DCM工作模式(零電流檢測),沒有CCM工作模式的風險,且在滿載條件下2個分支都進入CrM工作模式。

新穎的單晶片2相交錯式PFC控制器
與上述離散式交錯PFC不同,NCP1631是安森美半導體新推出的一款單晶片2相交錯式PFC控制器,採用SOIC-16封裝,替代2顆NCP1601,驅動2個PFC支路,提供接近1的高功率因數。此元件可以實現同樣的低高度設計,適合任何需要PFC的離線式應用尤其是纖薄型應用如平板電視。

對於交錯式PFC的2個支路而言,有兩種方案來工作。其中一種是主/從方案,即主支路自由工作,而從支路以180°相移跟隨主支路工作。這種方案的主要挑戰是維持CrM工作(無CCM,無死區時間)。另一種方案是交互相位方案,即每個相位都在CrM恰當工作,且兩個相位交互作用,設定180°相移。這種方案主要的挑戰是保持恰當的相移,因為雖然維持了CrM工作,但若其中某個相位的導通時間發生擾動,則可能會讓180°相移減弱。NCP1631選擇的是交互相位方案,兩個支路獨立工作,故兩個相位必然在頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)下 工作,防止出現不需要的死區時間或CCM序列的風險。此外,NCP1631內置振盪器充當交錯式時鐘產生器,管理異相工作,使兩個相位交互作用,並在包括啟動、過流保護(OCP)或瞬態序列等所有條件下持續180°相移工作。

NCP1631滿載時在CrM下工作,輕載時及接近線路過零點時在DCM下工作,從而充當頻率鉗位(由振盪器提供)的CrM控制器,優化完整負載範圍內的能效。FCCrM還縮小電磁干擾(EMI)濾波的頻率範圍,不需要大尺寸電感以限制頻率範圍,支援使用小尺寸電感,如使用150 µH電感(PQ2620)可用於寬主電源範圍的300 W PFC應用。此外,NCP1631還支援頻率反走,降低輕載時的鉗位頻率,進一步改善輕載能效。測試顯示,頻率反走技術提升輕載和空載時的能效。
NCP631具有高保護等級,提供過流保護、浪湧電流檢測、單獨引腳用於過壓保護 (OVP) 及欠壓保護 (UVP) 等。例如晶片上的CS引腳監測負電壓VCS,由於VCS與兩個交錯式支路消耗的總輸入電流Iin成正比,故表示可監測Iin。其中CS引腳電流ICS在CS引腳上保持0 V電壓;若ICS超過210 µA,就會觸發過流保護。這個CS引腳同樣提供浪湧電流檢測,當ICS超過14 µA(訊號處於高電平)時,就會關閉輸出驅動,防止損壞MOSFET。晶片上單獨OVP/UVP引腳用於輸出過壓及欠壓保護。此外,BO引腳用於輸入欠壓(BO)檢測,帶50 ms消隱延遲,符合維持時間要求。

NCP1631另一項重要特點是能夠提供 “ pfcOK ” 訊號,能用於啟用/關閉下行轉換器,簡化下行轉換器設計。在PFC段正常工作時 pfcOK訊號是高電平(5 V),能夠用作5 V電源 (電流能力5 mA)。否則,在任何時候檢測到重要故障(如欠壓鎖定條件、熱關閉、欠壓保護、輸入欠壓、閂鎖/關閉、Rt引腳開路等) 而關閉、 或在PFC段獲得額定大電壓前的啟動相位期間、 pfcOK訊號處於低電平。此外,NCP1631還具備前饋功能,從而改善環路補償。

能效測試結果及影響因素
對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板而言,輸出電壓通常為390 V,滿載時輸出電流為770 mA,20%負載時則為154 mA。這兩類輸出電流一般以相同工具測量,在10%及20%這樣的輕載條件下測量必須特別細心,因為1 mA的誤差就可能導致較大的能效差別。例如,20%負載時,輸入功率為63 W,在154 mA正確值的基礎上,若產生1 mA的誤差,如測得為153 mA或155 mA,相應的能效就分別為:100 x 390 x 0.153/63 = 94.7%,及100 x 390 x 0.155/63 = 95.9%,能效相差高達1.2%。

值得注意的是,PFC能效並不只取決於控制模式,電感、MOSFET、二極體、EMI濾波器等都會影響能效。例如,採用200 µH PQ2625電感與採用150 µH PQ2620電感時,約輸出負載高於約50%,則能效差別顯著;相當,在輕載條件下,由於頻率反走功能的緣故,能效相差極小。
測試顯示,對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板具有極高能效。在20%至100%負載範圍下,115 Vac線路電壓時能效高於95.8%,230 Vac線路電壓時能效高於97.0%。

總結:
交錯式PFC支援使用較小的元器件,能夠改善熱性能、增大臨界導電模式(CrM)功率範圍並減小電流紋波,非常適合對尺寸要求極為嚴格的纖薄應用,如最新的超薄液晶電視等。安森美半導體在之前以2顆較小NCP1601實現分立式交錯式PFC的基礎上,新推出了新的2相式頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM) PFC控制器NCP1631,以單顆IC整合構建強固及緊湊的2相交錯式PFC段所需的全部特性,且外部元件極少。FCCrM及NCP1631提供的頻率反走功能支援使用小電感,測試顯示,在完整負載範圍內均提供高能效。

- 新聞稿有效日期,至2010/02/07為止


聯絡人 :Eric Tsai
聯絡電話:886-2-8773-4277
電子郵件:eric_tsai@accesspr.com.tw

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