满足高性能和功效要求的单芯片CCM PFC及LLC组合控制器NCP1910

计算机、服务器及平板电视向来是能效规范机构的重要目标，这些设备必须在满足高性能的同时符合最新能效要求。安森美半导体身为领先厂商，一直致力于推出符合最新能效规范的电源控制器。本文将介绍安森美半导体应用于计算机ATX电源及平板电视的高能效、高性能功率因数校正(PFC)及半桥谐振双电感加单电容(LLC)组合控制器NCP1910的主要特性及电源段的应用设计要点，帮助工程师更好地采用NCP1910进行相关的电源设计。

现有方案及存在的问题用于上述电源设计的现有方案存在的最大问题是元器件数量太多，首先必须要有带主电源输入欠压(LBO)保护功能的PFC控制器，还要有带输入欠压(BO)保护及闩锁功能的LLC控制器；用于处理“功率良好”(PG)信号的比较器，以及用于感测的额外电路也必不可少。此外，为了实现次级端过压保护(OVP)，需要可控硅整流器(SCR)、比较器及感测电路；为了提供LLC短路保护(SCP)并兼顾PFC工作异常状况，还需要其他一些元件。如果能在一个单芯片中结合所有功能，实现一种组合控制器就可以使这些问题迎刃而解。高性能CCM PFC及LLC组合控制器的优势安森美半导体推出的NCP1910在单芯片中结合了PFC和LLC控制器，集成了这两个转换器所需的全部信号交换(handshaking)功能，既可提高可靠性，又可支持更简单、更高密度的设计。NCP1910采用SOIC-24封装，适用于高功率的ATX、一体机(all-in-one)及服务器、平板电视电源。图1是采用NCP1910的典型应用电路图共用电路，它包括远程PFC段、LLC段，以及实现导通/关闭、功率良好(PG)等的共用电路。图1：采用NCP1910的典型应用电路图PFC段具有以下一些特性：固定频率连续导电模式(CCM) PFC可提供65kHz,100 kHz、133 kHz及200 kHz选择；可编程过流阈值提供优化的感测电阻；过功率限制可根据平均输入电压限制电流；PFC异常保护，可以在出现PFC异常的情况下，器件停止工作，即使输入为高线路电压；欠压保护可避免反馈网络中出现错误连接的情况下受损；快速瞬态响应旨在维持V_bulk稳压：
--过压保护可自动恢复OVP阈值(稳压电平的105%)；
--动态响应增强器可在V_bulk降至低于其稳压电平的95%时，使用其内部200 µA电流源来加快稳压环路速度；冗余OVP(OVP2)使用专用引脚来闩锁V_bulk OVP；可调节线路输入欠压带50 ms消隐时间(blank time)，避免在低输入电压时受损；V_in²前馈可优化功率因数；Power Boost可在极端线路瞬态条件下调节V_bulk(如264 Vac→90 Vac)；可调节频率反走提升轻载能效；软启动；图腾柱(Totem Pole)驱动能力为±1.0 A门驱动器。LLC段具有以下一些特性：25 kHz至500 kHz的宽工作频率范围；板上固定死区时间为300 ns，可避免shot-through；在软启动或重启时，专用引脚将SS电容放电至地，从而提供平顺的输出电压上升；在LLC被CS/FF引脚(> 1V)或BO功能关闭时，SS引脚给C_SS放电，并提供纯粹的软启动；高压驱动器门驱动器为+ 0.5 A -1.0 A；·双故障保护电平位于CS/FF引脚：
--CS/FF > 1 V：LLC转换器立即通过将C_SS接地来增加开关频率。这是一种自动恢复保护模式；
--CS/FF > 1.5 V：当故障严重并使CS/FF高于1.5 V时闩锁；可调节输入欠压(BO)，FB 引脚电压占V_bulk的一部分，不需要高压感测轨，可以省电；NCP1910B有跳周期工作功能，当反馈脚电压低于0.4 V时，LLC驱动器进入跳周期模式，降低频率，提升轻载能效。简便的设计方法使用NCP1910进行设计过程非常简单，只要三步即可完成，如图2所示。第一步是设计PFC段，第二步是设计LLC段，第三步是设计信号交换部分。电路中的BO及PG电平是由R1、R2、R3决定的，无须感测高压。BO电平在V_bulk电平(如300 V，取决于电源系统的设计要求)时使LLC停止工作；PG电平在V_bulk电平时，器件通知次级端监控电路，产生功率故障(Power Fail)信号；在PFC频率反走输入功率级时，PFC开始降低工作频率。以下是PFC段和/或LLC段运用热关闭及过流、过压、欠压、过功率、输入欠压等保护特性，以及频率反走、跳周期等提升能效的技巧。NCP1910的工作序列如图3所示，如果PFC未就绪，LLC就不能启动；一旦PFC就绪，就会开始一段20 ms的延迟；延迟结束后PGout引脚假定为低电平，LLC可以开始工作。在拨除交流输入关闭电源时V_bulk降低，到达PG信号时，PGout引脚被释放(开路)；如果V_bulk到达LLC停止电平，LLC停止工作；或者如果V_bulk缓慢下降，如处在轻载状态，LLC会在PGout引脚被释放5 ms后停止工作。图3：NCP1910的工作序列远程导通/关闭：以专用引脚接收由次级端监控芯片由光耦控制的导通/关闭(on/off)信号；在导通/关闭引脚被释放开路时，PFC及LLC均停止工作；在导通/关闭引脚接地时，PFC开始软启动→PFCok→20 ms后，LLC开始软启动。图4：远程导通/关闭热关闭(TSD)：过热保护功能有助于实现良好的电源设计。当结点温度超过140℃时，该功能激活，驱动器变为低电平；结点温度降到典型值30℃时器件恢复工作。图5：热关闭频率反走：可以提高轻载效率，设定V_fold以确定功率开始反走的V_fold值；当(V_CTRL – V_CTRL(min))小于V_fold时，频率开始反走；内部钳位限制反走的最大功率；启动时无反走。图6：频率反走V_CTRL与功率及频率的关系：当输出功率下降时，V_CTRL随之下降；当到达反走设定点时，频率线性下降；65 kHz版本将最小频率内部设定为40 kHz。图7：V_CTRL与功率及频率的关系PFC段：1. 线路输入欠压(BO)保护：线路输入欠压引脚接收部分平均输入电流，因此，感测到低线路电压时，50 ms定时器就会激活。这段消隐时间用于帮助符合维持要求。如果线路电压在50 ms消隐延迟结束时仍处于低电平，输入欠压保护就被触发，PFC驱动器关闭，V_CTRL引脚接地，可使器件在故障消失时使用软启动。图8：线路输入欠压保护2. 快速瞬态响应/过压保护(OVP)：当V_FB > 105% V_PREF时，过压保护激活，驱动器输出变为低电平；当V_FB低于103.2% V_PREF时，器件自动恢复工作。图9：PFC-快速瞬态响应/过压保护3. 冗余OVP(闩锁)：专用OVP2引脚用来保护大电容；电路中内置的20 µs滤波器用来提供更佳的噪声免疫性。当OVP2比较器被触发时，PFC及LLC均关闭。PFCok信号假定为低电平时，PGout被释放开路，使LLC停止工作。图10：PFC-冗余OVP4. PFC异常检测：PFC异常检测的目的在于，如果PFC没有正常工作，那么即使出现高线路电压，PFC和LLC均应停止工作。例如，在高线路电压时PFC驱动器电阻损毁的情况。实现PFC异常检测保护的方法是：如果V_CTRL保持在最高电平或低于最低电平，如V_CTRL引脚异常短路，且时间长于1秒(t_PFCabnormal)，则PFCok内部信号下降，PGout引脚立即释放开路，通知系统电源将关闭；5 ms后LLC停止工作(t_DEL2)。5. 欠压保护(UVP)/反馈环路异常保护：UVP可以防止在反馈故障条件下启动。当V_FB < 8% V_PREF = 0.2 V时，UVP激活，器件关闭；当V_FB高于12% V_PREF = 0.3 V时，器件自动开始工作。图11：PFC–欠压保护/反馈环路异常保护6. Power Boost：PFC Power Boost功能的目的是在输入线路从高线路电压向低线路电压剧烈变化(如满载时从264 Vac剧降至90 Vac)时，限制输出功率，防止V_bulk将大幅下降，可能使V_out超出稳压范围。V_LBO是V_ac的平均值。在下列情况时，V_LBO可下拉至2 V(V_LBO(PD))：V_LBO高于2 V(高线路电压时)，以及V_CTRL处于最大值的时间长于4 ms(t_PFCflag)；V_bulk低于额定输出的95%时。PFC Power Boost功能在启动时被禁止；最长下拉持续时间的典型值为5 ms(t_LBO(PDlimit))；在后续最少70 ms时间(t_LBO(PDblank))内，开关保持在开路状态。LLC段：LLC拓扑结构为半桥双电感(LL)加单电容，其恒定占空比为50%，利用频率变化可以提升稳压效果。1. 一个引脚用于F_max、F_min及F_SS：R_min决定LLC最小频率；R_min // R_max决定LLC最大频率；R_min // R_SS决定LLC启动频率；R_SS和C_SS决定软启动持续时间。Rt引脚控制LLC图12：LLC的控制2. 完整软启动：SS引脚接地条件是：启动，或CS/FF高于V_CS1(1 V)，或BO激活，或t_DEL2结束。仅在V_SS低于V_SS(RST)时，SS引脚上的开关被释放开路，执行从启动(重启)开始的完整软启动。图13：完整软启动3. 跳周期模式(仅B版本提供)：跳周期模式在轻载时可削减LLC输出脉冲，从而避免任何频率失控(runaway)，改善待机能耗。图14：跳周期模式为了帮助设计，安森美半导体还提供演示电路板(原型板)，其输入电压为90v-265v ac，输出为12 V/25 A，5 V/2 A(用于待机)。图15：演示电路板能效测试结果表明，该演示电路板的能效等级目标，如典型负载能效及功率因数、空载及待机输入能耗等如表1所示。表1：能效等级目标总结安森美半导体的ATX电源新产品NCP1910高性能组合控制器在单颗IC中集成了功率因数校正(PFC)和主电源段控制器，具有PFC独立OVP、PFC动态响应增加器、PFC轻载频率反走、宽频率范围LLC、带高压驱动器及极佳OCP、远程导通/关闭控制及组合管理，可以为台式个人计算机、平板电视提供高能效、高性能的电源设计。