采用創(chuàng )新的模擬PFC控制器應對最新生態(tài)設計挑戰

創(chuàng )新的電流控制頻率反走(CCFF)技術(shù)使模擬功率因數校正(PFC)控制器能夠在完整負載范圍內提供高能效，其它已知優(yōu)勢還包括快速瞬態(tài)響應及簡(jiǎn)化電路設計。

簡(jiǎn)介：高能效PFC

諸如歐盟耗能產(chǎn)品(ErP)指令等嚴格生態(tài)設計法規要求電視、膝上型及臺式電腦、熒光燈鎮流器和LED照明驅動(dòng)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(guò)必要的批準，如在歐盟銷(xiāo)售的商品須獲得強制的CE標志，新設計必須符合包括待機、部分負載或滿(mǎn)載條件的寬負載范圍能效目標。

此外，設計人員也面臨符合以有競爭力的價(jià)格提供高性能標準之市場(chǎng)需求的壓力?？刂乒β室驍敌Ｕ?PFC)(功率高于70 W之應用強制要求PFC)的集成電路(IC)集成越來(lái)越多的功能，通過(guò)減少電源元件數量及降低對電容等大體積、規格過(guò)高的器件的依賴(lài)，可以幫助滿(mǎn)足此要求。

有源PFC補償由電源導致、會(huì )增加電氣網(wǎng)絡(luò )內熱量及干擾的線(xiàn)路電流諧波失真。由于對能效的顧慮已經(jīng)延伸，不僅涵蓋待機及降低功率模式，還包括滿(mǎn)額功率模式，傳統PFC控制工作的缺點(diǎn)就變得越來(lái)越受注目。采用臨界導電模式(CrM)工作的傳統PFC控制器的能效在電源輕載工作時(shí)往往會(huì )降低，如電器在待機模式下就是如此。

轉向數字PFC,還是不轉?

某些芯片制造商已將數字PFC作為克服此局限的出路。通過(guò)將感測模擬電壓轉換至數字域，然后應用信號處理算法，數字控制器就不受線(xiàn)性特性的限制，在任何負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(kāi)發(fā)的算法品質(zhì)。市場(chǎng)上近期推出的數字PFC控制器還集成了通過(guò)I2C等標準連接實(shí)現的診斷及用戶(hù)可編程等功能。

然而，有關(guān)模擬PFC將被數字PFC替代的傳言在過(guò)去已經(jīng)被證明是夸大其辭。在這種情況下，要想削弱傳統模擬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(chēng)數字PFC控制器相比模擬PFC控制器具有成本優(yōu)勢，特別是在系統級考慮成本時(shí)，但市場(chǎng)上的模擬PFC控制器的價(jià)格比最新數字PFC控制器更低。某些數字PFC控制器自推出第一代產(chǎn)品以來(lái)，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)格競爭力的設計。

最新世代的模擬PFC控制器通過(guò)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。安森美半導體的NCP1611和NCP1612 PFC控制器中應用了這種新的工作模式。CCFF使控制器在寬負載內維持高能效，包括輕載和待機工作條件，以及較高負載條件。這些控制器還應用了增強型特性，改善故障處理及瞬態(tài)響應，并支持不同偏置場(chǎng)景，為設計人員提供額外的靈活性。

提升所有負載條件下的能效

在CCFF架構下，電路在大電流條件下采用臨界導電模式(CrM)工作。在重負載條件下臨近過(guò)零點(diǎn)時(shí)會(huì )出現低電流電平，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)入頻率受控不連續工作模式。定時(shí)器會(huì )插入死區時(shí)間，延遲啟動(dòng)，直到從表征輸入電流的感測電壓上升至內部產(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時(shí)間更長(cháng)。圖1通過(guò)不同負載條件下升壓MOSFET的電壓波形顯示了CCFF的工作原理。

定時(shí)器控制死區時(shí)間而非開(kāi)關(guān)周期/關(guān)閉時(shí)間。當電流為零時(shí)，反走頻率被限制為最低的20 kHz.控制器通過(guò)這種方式能夠將額定負載及輕載條件下的能效均提升至最高。特別是待機損耗被降至最低。通過(guò)延遲MOSFET導通的時(shí)間點(diǎn)直至漏極-源極電壓到達其谷底，進(jìn)一步降低了損耗。谷底開(kāi)關(guān)還將產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)減至最少。另一項優(yōu)勢是系統不會(huì )在谷底之間停滯。由于死區時(shí)間不受電流周期時(shí)長(cháng)變化的影響，谷底導通的發(fā)生不帶有遲滯。

可以將CCFF工作模式與負載下降時(shí)開(kāi)關(guān)頻率上升的傳統CrM作比較。極輕負載時(shí)，傳統CrM控制器可能進(jìn)入突發(fā)(burst)模式，產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲。相比較而言，CCFF控制器的較低頻率被鉗位至高于可聽(tīng)頻率范圍，因而防止產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲。

與頻率控制臨界導電模式(FCCrM)控制器類(lèi)似，CCFF控制器的內部電路能夠提供接近1的功率因數，即便是在開(kāi)關(guān)頻率降低的情況下。此外，跳周期模式使PFC能夠跳過(guò)電流極低時(shí)線(xiàn)路過(guò)零點(diǎn)附近的周期，提供優(yōu)化的能效。這就避免了電源轉換能效特別低時(shí)的電路工作。應當注意的是，這種模式會(huì )產(chǎn)生一些電流波形失真。因此，跳周期模式不應當用于要求極高功率因數的應用。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CrM控制的能效。