NCP1601型功率因數校正控制器的原理及應用

2021-01-10 電子產品世界

摘要：NCP1601型功率因數校正控制器可工作在不連續信號模式（DCM）和臨界傳導模式（CRM）二種工作模式下。文中介紹NCP1601的結構和特點，詳細敘述其工作原理並給出一種典型應用電路。

關鍵詞：功率因數校正控制器 DCM/CRM 原理 集成電路

1 概述

安森美半導體公司推出的NCP1601型功率因數校正（PFC）控制器能不連續傳導模式（DCM）和臨界傳導模式（CRM或BCM）下工作，它兼有二種工作模式的優點。因固定頻率DCM可限制最高開關頻率，從而限制汙染系統環境的傳導輻射和EMI噪聲。而不定頻率CRM則可限制升壓MOSFET、二極體和電感器的最大電流，以降低成本，提高電路的可靠性。NCP1601結合DCM與CRM的優點及高安全性保護特徵，適合於電子鎮流器，AC適配器、TV與臨視器等中低功率電源PFC預調節器應用。

可在DCM和CRM下工作是NCP1601的主要創新點。NCP1601的其他特點如下：

在電壓工作模式下能提供簡單的電壓模式反饋；

啟動電流（典型值為17μA）和關閉電流（典型值為24μA）低；

DCM開關頻率可編程；

可同步模式工作（OSC腳可以接收外部數位訊號）；

具有保護（OVO）功能，其門限電平是PFC級輸出電壓正常值的107%；

通過其欠保護（UVP）功能可在輸出電壓降至正常調節電平的92%以下時，自動關閉；

具有可編程過電流保護（OCP）；

過熱關閉（OTSD）功能可在結溫超過140℃時截止IC並當結溫降至95℃以下時使器件恢復工作；

滿足IEC1000-3-2標準規定的輸入電流諧波限制要求。

MCP1601有NCP1601A和NCP1601B二種型號，二者的Vcc欠壓鎖定（UVLO）滯後電壓不同。NCP1601A的UVLO帶4.75V的滯後，而NCP1601B的UVLO滯後則是1.5V。

2 基本結構及引腳排列

NCP1601採用8引腳PDIP和8引腳SO封裝（結溫範圍為-40℃～+125℃），引腳排列如圖1所示。

各引腳的功能如下：

腳1(FB):反饋/關閉腳。該腳可接收正比於PFC電路輸出電壓的反饋電流IFH。IFB大地內部參考電流Iref（典型值是200μA）的107%時，OVP被激活，腳Drv上的驅動輸出截止；而當IFB0.08Iref時，器件進入低功耗關閉模式。

圖2

腳2（Vcontrol）：控制端。該腳上電壓用於直接控制輸入阻抗和電路功率因素。該腳外部電容器限制電壓Vcontrol的帶寬。為獲得功率因數校正，控制電壓的帶寬應低於20Hz。該腳外部電容Control的典型值是0.1μF。

腳3（Ramp）：連接在該腳外部的電容器Cramp可用於設置斜坡信號，該電容器直接影響PFC電路的輸入阻抗和最大輸入功率。

腳4（CS）：電流感測腳。該腳可提供一個用於OCP和零電流檢測（ZCD）的電流Is，該Is取決於升壓電感電流和該腳上的失調電壓。當Is>200μA時，執行OCP，IC驅動輸出截止；當Is14μA時，執行OCP，IC驅動輸出截止；當Is14μA時，電路檢測零電流。

腳5（Osc）：振蕩/同步端。在振蕩模式，該腳外部連接一個電容器Cosc，可設置DCM的振蕩器頻率。在同步模式，該腳接外部驅動信號。在進行DCM操作時，驅動輸出正沿被同步到外部的負沿上。在開關周期結束時，如果電感電流不是零，輸出驅動將不允許導通而禁止連續傳導模式（CCM）工作，以使其工作在CRM模式。

腳6（GND）：IC地。

腳7（Drv）：用於外部MOSFET的驅動輸出。

腳8（Vcc）：電源電壓，工作範圍為9～18V。NCP1601A的啟動門限是13.75V，而NCP1601B的啟動門限是10.5V，二種器件的關閉門限Voc(off)均為9V。

3 NCP1601的DCM和CRM工作原理

PFC升壓變換器的電感電流導通方式可分為3種類型，即連續導電模式（CCM）、不連續導電模式（DCM2）和臨界電模式（CRM或BCM-Boundary Conduction Mode）。其中CCM適用於300～3000W較大功率的PFC，該電路的結構比較複雜；而DCM和CRM則適用於75～300W的中低功率PFC，其電路結構相對比較簡單。

CCM工作除了AC正弦電壓跨零外，在任何時刻，升壓電感電流都不為零。這種固定頻率平均電流模式CCM控制方案的開關周期保持不變，但佔空比是變化的。NCP1601的內部結構及外部元件連接如圖2所示。

CRM的特別是開關頻率變化，且在正弦電壓過零時頻率最高，在正弦電壓峰值處的開關頻率最低。一旦升壓電感器中的電流除為零，新的開關周期便接著開始而不存在電流死區。CRM的缺點是在正弦波過零附過的開關頻率相當高，EMI比較嚴重。這使是可限制最大電流應力並可以用小尺寸和廉價的MOSFET升壓二極體和升壓電感器。

DCM的特點是開關頻率固定，且在二個開關周期之間的電感電流存在死區。其主要優點是能夠限制最大開關頻率，使前端EMI濾波器設計簡單化。但是，在同樣的平均輸入電流下，DCM需要較高的峰值電感電流，因而需要選用放大的功率器件。

創新的NCP1601B型PFC控制器可在CRM和DCM二種模式下工作，並且不會引起功率因數退化，其電流波形如圖3所示。

圖4

4 典型應用電路及測試數據

基於NCP1601B的130W PFC升壓預調節器電路如圖4所示。該PFC升壓變換器的AC輸入電壓可從90Vac到260Vac。在230Vac的輸入電壓下，其輸出電壓Vout=391V，功率因數（PF）為0.973，總電流諧波失真THD=9%，效率η=96.4%。在輸入Vin=90～180Vac時，PF≥0.99,THD≤6%,可達到超低THD水平。表1所列是90～250Vac輸入電壓下的測試結果。

表1 測試數據

Vin(Vca)Pin(W)Vout(V)Iout(mA)PFTHD(%)η(%)90143.43274000.998491.2110161.13734000.997692.6130160.53784000.996694.2150160.93824000.993795.0180161.63864000.990695.5190161.73874000.986895.7210162.03894000.980896.0230162.23914000.973996.4250162.83934000.9291696.6

5 結束語

NCP1601可在CRM和DCM下工作並具有二種模式的優點。它在AC線路輸入電壓過零附近採用DCM控制方案，此時由於對開關頻率進行了限制，因此易地解決EMI問題。而在正弦波峰值附近，為避免較大的峰值電感電流，電路則採用CRM控制方法，這樣可以使用較小的電感器、MOSFET和升壓二極體，從而不僅降低了成本，而且提高了系統的可靠性。NCP1601在DCM和CRM下工作並不會起功率因數下降，因而是一種創新的控制方案。

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