便于功率因數校正的控制器NCP1601

2004年6月A版

摘  要：   臨界導電模式(BCM)目前是滿(mǎn)足中低功率應用中功率因數校正(PFC)穩壓的最常用方案。但是，這種解決方案的開(kāi)關(guān)頻率的方差很大，使得在噪聲敏感和大功率范圍應用中實(shí)現BCM電路很困難。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，安森美半導體開(kāi)發(fā)了一個(gè)創(chuàng )新的功率因數控制器—NCP1601，可以在固定頻率和不連續導電模式(DCM)中工作。為了達到整功率因數，電路根據在先前開(kāi)關(guān)周期中測得的死區時(shí)間長(cháng)度調制功率開(kāi)關(guān)導電時(shí)間。本文講述NCP1601方案和功能。

引言

　　在BCM中，線(xiàn)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(xiàn)圈電流達到零以后馬上開(kāi)始(參見(jiàn)圖1)。

　　如圖1所示，開(kāi)關(guān)頻率隨著(zhù)交流線(xiàn)路和負載而劇烈變化。這種特性引起許多問(wèn)題。其中最主要的問(wèn)題是難以濾除EMI和/或產(chǎn)生對由PFC段供電的系統的干擾(比如一些噪聲在顯示器屏幕上可見(jiàn))。而且，在輕負載和/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 )，因為這種解決方案會(huì )產(chǎn)生太高的損耗。

　　也應注意到BCM系統會(huì )產(chǎn)生高達500 kHz的頻率。這時(shí)控制電路內部所有的傳輸延遲，或電源開(kāi)關(guān)反應時(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，功率因數下降。

　　為了解決這些問(wèn)題，NCP1601內置新穎的方案，工作在頻率受控模式，從本質(zhì)上可實(shí)現整功率因數。

NCP1601方案

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

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

  (1)

　　其中Tsw是電路振蕩器或外部同步信號強制的開(kāi)關(guān)周期，而是線(xiàn)圈電流在Tsw內的平均值：

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

       (2)

　　如圖2中所詳細描述，NCP1601可使(ton*dcycle)項保持恒定，使得任何開(kāi)關(guān)周期內的線(xiàn)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，可以達到整功率因數(即功率因數為1)。

　　實(shí)際上，電路檢測死區時(shí)間，為了補償它，要調制功率開(kāi)關(guān)導電時(shí)間，使得(ton*dcycle)在一個(gè)輸入電壓周期內保持恒定。

　　在MOSFET導電時(shí)間，線(xiàn)圈電流從零上升到所需交流線(xiàn)路電流的兩倍。此時(shí)，功率開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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(xiàn)路的頻率高得多。

不連續或臨界導電模式?

　　振蕩器/同步模塊產(chǎn)生時(shí)鐘信號，啟動(dòng)功率開(kāi)關(guān)。但是，只要有一些電流保持流過(guò)線(xiàn)圈，NCP1601就不讓任何MOSFET導電。這種方案保護功率元件免受因連續開(kāi)關(guān)序列導致的過(guò)大的應力。因此有兩種情況：

　　1.時(shí)鐘脈沖發(fā)生，但沒(méi)有電流流過(guò)線(xiàn)圈(死區時(shí)間)。在這種情況下，功率MOSFET立即導電。

　　2.時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生時(shí)，有一些電流流過(guò)線(xiàn)圈。時(shí)鐘信號存儲在電路中，功率開(kāi)關(guān)在磁心復位前不導電。

　　因此，NCP1601不會(huì )跳過(guò)在磁心復位之前發(fā)生的時(shí)鐘脈沖。相反，它存儲信息，并且一旦線(xiàn)圈去磁，便開(kāi)始一個(gè)新的電流周期。換句話(huà)說(shuō)，只要線(xiàn)圈電流周期大于時(shí)鐘周期，NCP1601就進(jìn)入臨界導電模式。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的不連續性。假設電流周期比時(shí)鐘周期稍短，而且功率需求的少許增加可使它更長(cháng)。如果電路等待磁心復位后的下一個(gè)時(shí)鐘，開(kāi)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!當電流周期比時(shí)鐘周期長(cháng)時(shí)，通過(guò)進(jìn)入真正的BCM工作，NCP1601消除了這種效應。

　　2.因為死區時(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在大多數應力條件下(低線(xiàn)電壓、高功率)是強制性的，以避免任何功率元件承受過(guò)大應力。當功率需求高時(shí)(線(xiàn)圈電流周期長(cháng))，系統能夠不減弱任何性能就進(jìn)入BCM，既滿(mǎn)足要求且優(yōu)化應用的尺寸。

　　還應注意到，在傳統的BCM PFC階段中需要一個(gè)大線(xiàn)圈，以避免輕載時(shí)發(fā)生過(guò)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(xiàn)圈尺寸。

實(shí)驗結果

　　展示的結果來(lái)自一塊電路板，它設計從90 V到265 V交流線(xiàn)路上吸收150 W功率。

　　開(kāi)關(guān)頻率設置在60 kHz左右。

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

實(shí)驗表明：

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

結語(yǔ)

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

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

參考文獻：

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'.