計算機、服務(wù)器及平板電視向來是能效規(guī)范機構(gòu)的重要目標(biāo)，這些設(shè)備必須在滿足高性能的同時符合最新能效要求。安森美" title="安森美">安森美半導(dǎo)體身為領(lǐng)先廠商，一直致力于推出符合最新能效規(guī)范的電源" title="電源">電源控制器。本文將介紹安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于計算機ATX電源及平板電視的高能效、高性能功率因數(shù)校正(PFC" title="PFC">PFC)及半橋諧振雙電感加單電容(LLC" title="LLC">LLC)組合控制器NCP1910" title="NCP1910">NCP1910的主要特性及電源段的應(yīng)用設(shè)計要點，幫助工程師更好地采用NCP1910進行相關(guān)的電源設(shè)計。
現(xiàn)有方案及存在的問題
用于上述電源設(shè)計的現(xiàn)有方案存在的最大問題是元器件數(shù)量太多，首先必須要有帶主電源輸入欠壓(LBO)保護功能的PFC控制器，還要有帶輸入欠壓(BO)保護及閂鎖功能的LLC控制器；用于處理“功率良好”(PG)信號的比較器，以及用于感測的額外電路也必不可少。此外，為了實現(xiàn)次級端過壓保護(OVP)，需要可控硅整流器(SCR)、比較器及感測電路；為了提供LLC短路保護(SCP)并兼顧PFC工作異常狀況，還需要其他一些元件。如果能在一個單芯片中結(jié)合所有功能，實現(xiàn)一種組合控制器就可以使這些問題迎刃而解。
高性能CCM PFC及LLC組合控制器的優(yōu)勢
安森美半導(dǎo)體推出的NCP1910在單芯片中結(jié)合了PFC和LLC控制器，集成了這兩個轉(zhuǎn)換器所需的全部信號交換(handshaking)功能，既可提高可靠性，又可支持更簡單、更高密度的設(shè)計。NCP1910采用SOIC-24封裝，適用于高功率的ATX、一體機(all-in-one)及服務(wù)器、平板電視電源。
圖1是采用NCP1910的典型應(yīng)用電路圖共用電路，它包括遠(yuǎn)程PFC段、LLC段，以及實現(xiàn)導(dǎo)通/關(guān)閉、功率良好(PG)等的共用電路。
圖1：采用NCP1910的典型應(yīng)用電路圖
PFC段具有以下一些特性：
- 固定頻率連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM) PFC可提供65kHz,100 kHz、133 kHz及200 kHz選擇；
- 可編程過流閾值提供優(yōu)化的感測電阻；
- 過功率限制可根據(jù)平均輸入電壓限制電流；
- PFC異常保護，可以在出現(xiàn)PFC異常的情況下，器件停止工作，即使輸入為高線路電壓；
- 欠壓保護可避免反饋網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)錯誤連接的情況下受損；
-
快速瞬態(tài)響應(yīng)旨在維持Vbulk穩(wěn)壓：
--過壓保護可自動恢復(fù)OVP閾值(穩(wěn)壓電平的105%)；
--動態(tài)響應(yīng)增強器可在Vbulk降至低于其穩(wěn)壓電平的95%時，使用其內(nèi)部200 µA電流源來加快穩(wěn)壓環(huán)路速度； - 冗余OVP(OVP2)使用專用引腳來閂鎖Vbulk OVP；
- 可調(diào)節(jié)線路輸入欠壓帶50 ms消隱時間(blank time)，避免在低輸入電壓時受損；
- Vin2前饋可優(yōu)化功率因數(shù)；
- Power Boost可在極端線路瞬態(tài)條件下調(diào)節(jié)Vbulk(如264 Vac→90 Vac)；
- 可調(diào)節(jié)頻率反走提升輕載能效；
- 軟啟動；
- 圖騰柱(Totem Pole)驅(qū)動能力為±1.0 A門驅(qū)動器。
LLC段具有以下一些特性：
- 25 kHz至500 kHz的寬工作頻率范圍；
- 板上固定死區(qū)時間為300 ns，可避免shot-through；
- 在軟啟動或重啟時，專用引腳將SS電容放電至地，從而提供平順的輸出電壓上升；在LLC被CS/FF引腳(> 1V)或BO功能關(guān)閉時，SS引腳給CSS放電，并提供純粹的軟啟動；
- 高壓驅(qū)動器門驅(qū)動器為+ 0.5 A -1.0 A；
-
·雙故障保護電平位于CS/FF引腳：
--CS/FF > 1 V：LLC轉(zhuǎn)換器立即通過將CSS接地來增加開關(guān)頻率。這是一種自動恢復(fù)保護模式；
--CS/FF > 1.5 V：當(dāng)故障嚴(yán)重并使CS/FF高于1.5 V時閂鎖； - 可調(diào)節(jié)輸入欠壓(BO)，F(xiàn)B 引腳電壓占Vbulk的一部分，不需要高壓感測軌，可以省電；
- NCP1910B有跳周期工作功能，當(dāng)反饋腳電壓低于0.4 V時，LLC驅(qū)動器進入跳周期模式，降低頻率，提升輕載能效。
簡便的設(shè)計方法
使用NCP1910進行設(shè)計過程非常簡單，只要三步即可完成，如圖2所示。第一步是設(shè)計PFC段，第二步是設(shè)計LLC段，第三步是設(shè)計信號交換部分。
電路中的BO及PG電平是由R1、R2、R3決定的，無須感測高壓。BO電平在Vbulk電平(如300 V，取決于電源系統(tǒng)的設(shè)計要求)時使LLC停止工作；PG電平在Vbulk電平時，器件通知次級端監(jiān)控電路，產(chǎn)生功率故障(Power Fail)信號；在PFC頻率反走輸入功率級時，PFC開始降低工作頻率。以下是PFC段和/或LLC段運用熱關(guān)閉及過流、過壓、欠壓、過功率、輸入欠壓等保護特性，以及頻率反走、跳周期等提升能效的技巧。
NCP1910的工作序列如圖3所示，如果PFC未就緒，LLC就不能啟動；一旦PFC就緒，就會開始一段20 ms的延遲；延遲結(jié)束后PGout引腳假定為低電平，LLC可以開始工作。在撥除交流輸入關(guān)閉電源時Vbulk降低，到達(dá)PG信號時，PGout引腳被釋放(開路)；如果Vbulk到達(dá)LLC停止電平，LLC停止工作；或者如果Vbulk緩慢下降，如處在輕載狀態(tài)，LLC會在PGout引腳被釋放5 ms后停止工作。
圖3：NCP1910的工作序列
遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉：以專用引腳接收由次級端監(jiān)控芯片由光耦控制的導(dǎo)通/關(guān)閉(on/off)信號；在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳被釋放開路時，PFC及LLC均停止工作；在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳接地時，PFC開始軟啟動→PFCok→20 ms后，LLC開始軟啟動。
圖4：遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉
熱關(guān)閉(TSD)：過熱保護功能有助于實現(xiàn)良好的電源設(shè)計。當(dāng)結(jié)點溫度超過140℃時，該功能激活，驅(qū)動器變?yōu)榈碗娖剑唤Y(jié)點溫度降到典型值30℃時器件恢復(fù)工作。
圖5：熱關(guān)閉
頻率反走：可以提高輕載效率，設(shè)定Vfold以確定功率開始反走的Vfold值；當(dāng)(VCTRL – VCTRL(min))小于Vfold時，頻率開始反走；內(nèi)部鉗位限制反走的最大功率；啟動時無反走。
圖6：頻率反走
VCTRL與功率及頻率的關(guān)系：當(dāng)輸出功率下降時，VCTRL隨之下降；當(dāng)?shù)竭_(dá)反走設(shè)定點時，頻率線性下降；65 kHz版本將最小頻率內(nèi)部設(shè)定為40 kHz。
圖7：VCTRL與功率及頻率的關(guān)系
PFC段：
1. 線路輸入欠壓(BO)保護：線路輸入欠壓引腳接收部分平均輸入電流，因此，感測到低線路電壓時，50 ms定時器就會激活。這段消隱時間用于幫助符合維持要求。如果線路電壓在50 ms消隱延遲結(jié)束時仍處于低電平，輸入欠壓保護就被觸發(fā)，PFC驅(qū)動器關(guān)閉，VCTRL引腳接地，可使器件在故障消失時使用軟啟動。
圖8：線路輸入欠壓保護
2. 快速瞬態(tài)響應(yīng)/過壓保護(OVP)：當(dāng)VFB > 105% VPREF時，過壓保護激活，驅(qū)動器輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)VFB低于103.2% VPREF時，器件自動恢復(fù)工作。
圖9：PFC-快速瞬態(tài)響應(yīng)/過壓保護
3. 冗余OVP(閂鎖)：專用OVP2引腳用來保護大電容；電路中內(nèi)置的20 µs濾波器用來提供更佳的噪聲免疫性。當(dāng)OVP2比較器被觸發(fā)時，PFC及LLC均關(guān)閉。PFCok信號假定為低電平時，PGout被釋放開路，使LLC停止工作。
圖10：PFC-冗余OVP
4. PFC異常檢測：PFC異常檢測的目的在于，如果PFC沒有正常工作，那么即使出現(xiàn)高線路電壓，PFC和LLC均應(yīng)停止工作。例如，在高線路電壓時PFC驅(qū)動器電阻損毀的情況。實現(xiàn)PFC異常檢測保護的方法是：如果VCTRL保持在最高電平或低于最低電平，如VCTRL引腳異常短路，且時間長于1秒(tPFCabnormal)，則PFCok內(nèi)部信號下降，PGout引腳立即釋放開路，通知系統(tǒng)電源將關(guān)閉；5 ms后LLC停止工作(tDEL2)。
5. 欠壓保護(UVP)/反饋環(huán)路異常保護：UVP可以防止在反饋故障條件下啟動。當(dāng)VFB < 8% VPREF = 0.2 V時，UVP激活，器件關(guān)閉；當(dāng)VFB高于12% VPREF = 0.3 V時，器件自動開始工作。
圖11：PFC–欠壓保護/反饋環(huán)路異常保護
6. Power Boost：PFC Power Boost功能的目的是在輸入線路從高線路電壓向低線路電壓劇烈變化(如滿載時從264 Vac劇降至90 Vac)時，限制輸出功率，防止Vbulk將大幅下降，可能使Vout超出穩(wěn)壓范圍。VLBO是Vac的平均值。
在下列情況時，VLBO可下拉至2 V(VLBO(PD))：VLBO高于2 V(高線路電壓時)，以及VCTRL處于最大值的時間長于4 ms(tPFCflag)；Vbulk低于額定輸出的95%時。PFC Power Boost功能在啟動時被禁止；最長下拉持續(xù)時間的典型值為5 ms(tLBO(PDlimit))；在后續(xù)最少70 ms時間(tLBO(PDblank))內(nèi)，開關(guān)保持在開路狀態(tài)。
LLC段：LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為半橋雙電感(LL)加單電容，其恒定占空比為50%，利用頻率變化可以提升穩(wěn)壓效果。
1. 一個引腳用于Fmax、Fmin及FSS：Rmin決定LLC最小頻率；Rmin // Rmax決定LLC最大頻率；Rmin // RSS決定LLC啟動頻率；RSS和CSS決定軟啟動持續(xù)時間。Rt引腳控制LLC
圖12：LLC的控制
2. 完整軟啟動：SS引腳接地條件是：啟動，或CS/FF高于VCS1(1 V)，或BO激活，或tDEL2結(jié)束。僅在VSS低于VSS(RST)時，SS引腳上的開關(guān)被釋放開路，執(zhí)行從啟動(重啟)開始的完整軟啟動。
圖13：完整軟啟動
3. 跳周期模式(僅B版本提供)：跳周期模式在輕載時可削減LLC輸出脈沖，從而避免任何頻率失控(runaway)，改善待機能耗。
圖14：跳周期模式
為了幫助設(shè)計，安森美半導(dǎo)體還提供演示電路板(原型板)，其輸入電壓為90v-265v ac，輸出為12 V/25 A，5 V/2 A(用于待機)。
圖15：演示電路板
能效測試結(jié)果表明，該演示電路板的能效等級目標(biāo)，如典型負(fù)載能效及功率因數(shù)、空載及待機輸入能耗等如表1所示。
表1：能效等級目標(biāo)
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體的ATX電源新產(chǎn)品NCP1910高性能組合控制器在單顆IC中集成了功率因數(shù)校正(PFC)和主電源段控制器，具有PFC獨立OVP、PFC動態(tài)響應(yīng)增加器、PFC輕載頻率反走、寬頻率范圍LLC、帶高壓驅(qū)動器及極佳OCP、遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉控制及組合管理，可以為臺式個人計算機、平板電視提供高能效、高性能的電源設(shè)計。
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