满足高性能和功效要求的单芯片CCM PFC及LLC组合控制器NCP1910
2011-11-29
作者：安森美
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" title="安森美">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" title="电源">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" title="PFC">PFC)及半桥谐振双电感加单电容(LLC" title="LLC">LLC)组合控制器NCP1910" title="NCP1910">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Vbulk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Vbulk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Vbulk 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；
- Vin2前馈可优化功率因数；
- Power Boost可在极端线路瞬态条件下调节Vbulk(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CSS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CSS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Vbulk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Vbulk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Vbulk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Vbulk降低，到达PG信号时，PGout引脚被释放(开路)；如果Vbulk到达LLC停止电平，LLC停止工作；或者如果Vbulk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Vfold以确定功率开始反走的Vfold值；当(VCTRL – VCTRL(min))小于Vfold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
VCTRL与功率及频率的关系：当输出功率下降时，VCTRL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：VCTRL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，VCTRL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VFB > 105% VPREF时，过压保护激活，驱动器输出变为低电平；当VFB低于103.2% VPREF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OVP
4. 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VCTRL保持在最高电平或低于最低电平，如VCTRL引脚异常短路，且时间长于1秒(tPFCabnormal)，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(tDEL2)。
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VFB < 8% VPREF = 0.2 V时，UVP激活，器件关闭；当VFB高于12% VPREF = 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Vbulk将大幅下降，可能使Vout超出稳压范围。VLBO是Vac的平均值。
在下列情况时，VLBO可下拉至2 V(VLBO(PD))：VLBO高于2 V(高线路电压时)，以及VCTRL处于最大值的时间长于4 ms(tPFCflag)；Vbulk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(tLBO(PDlimit))；在后续最少70 ms时间(tLBO(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Fmax、Fmin及FSS：Rmin决定LLC最小频率；Rmin // Rmax决定LLC最大频率；Rmin // RSS决定LLC启动频率；RSS和CSS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VCS1(1 V)，或BO激活，或tDEL2结束。仅在VSS低于VSS(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。
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