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使用NCP1623A設(shè)計緊湊高效的PFC級的關(guān)鍵步驟

發(fā)布時間:2023-05-16 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文介紹了快速設(shè)計由 NCP1623 驅(qū)動的 CrM/DCM PFC 級的關(guān)鍵步驟中的定義關(guān)鍵規(guī)格與功率級設(shè)計,并以實(shí)際的 100W 通用電源應(yīng)用為例進(jìn)行說明,IC控制電路設(shè)計將在后續(xù)的推文中分享。


●  最大輸出功率:100 W

●  Rms 線路電壓范圍:90 V - 264 V

●  調(diào)節(jié)輸出電壓:

●  低壓為 250 V(115V 電源)

●  高壓為 390 V(230V 電源)


NCP1623 具有多個選項,本文側(cè)重于NCP1623A,它與其他版本的主要不同點(diǎn)在于輸入電壓跟隨升壓(follower boost)。NCP1623A 采用 SOIC?8 或 TSOP?6 封裝,是一款極為緊湊的 PFC 控制器,可在整個負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化 PFC 級的效率。此外,它還集成了保護(hù)功能,以確保安全可靠地運(yùn)行。一般而言,NCP1623A 適用于那些對成本效益、可靠性、高功率因數(shù)和效率比有著較高要求的系統(tǒng):


谷底同步頻率折返:


NCP1623A 通常在臨界導(dǎo)通模式 (CrM) 下運(yùn)行,直到功率降至閾值水平以下。此時,PFC 級進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM),死區(qū)時間會隨著負(fù)載的進(jìn)一步衰減而延長(頻率折返)。不僅如此,這項創(chuàng)新技術(shù)還提供了穩(wěn)定的谷底打開功能,以實(shí)現(xiàn)最大效率。此外,最小頻率鉗位(通常為 33 kHz)還可防止聲頻,并對導(dǎo)通時間進(jìn)行調(diào)制,以確保 CrM 和 DCM 操作中的功率因數(shù)接近 1。


緊湊性:


NCP1623A 采用了創(chuàng)新的 CS/ZCD 多功能引腳,該引腳可在具有少量外部組件的小型 TSOP6(或 SOIC8)封裝中提供用于增強(qiáng)控制和保護(hù)的輸入信號。此外,NCP1623A 在低壓條件下會強(qiáng)制降低輸出調(diào)節(jié)電平,以最大程度提高 PFC 級效率并減小其尺寸。這種 2 級輸入電壓跟隨升壓(follower boost)最適合那些下游轉(zhuǎn)換器(如反激電源)能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式承受輸入電壓變化的應(yīng)用。


低 VCC 啟動閾值:


依照設(shè)計,NCP1623A 通常會在其 VCC 電壓超過 10.5V 時啟動,這使其非常適合那些控制器由外部電源(源自輔助電源或下游轉(zhuǎn)換器)供電的應(yīng)用。它的最大啟動電壓 (11.25 V) 設(shè)置得足夠低,可以從傳統(tǒng)的 12 V 導(dǎo)軌供電。啟動后,較高的 VCC 最大額定值允許較大的工作范圍 (9.5 V - 30 V),從而方便電路饋電。


快速線路/負(fù)載瞬變補(bǔ)償:


由于 PFC 級的調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬必須較低,因此負(fù)載或輸入電壓的突然變化(例如啟動時)可能會導(dǎo)致過壓或欠壓。當(dāng)輸出電壓過高時,過壓保護(hù)會中斷供電。當(dāng)輸出電壓低于低檢測閾值(動態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器 (DRE))時,該電路會顯著加快調(diào)節(jié)環(huán)路。此功能僅在 PFC 級啟動后啟用,以允許進(jìn)行正常的軟啟動操作。


安全保護(hù):


系統(tǒng)會永久監(jiān)控輸入和輸出電壓、MOSFET 電流和芯片溫度,以保護(hù)系統(tǒng)免受可能出現(xiàn)的過載,從而使 PFC 級不僅穩(wěn)健,而且可靠。除 OVP 保護(hù)外,還提供了以下保護(hù)方法:


1)最大電流限制:電路會檢測 MOSFET 電流。如果檢測到的電流超過了設(shè)定的電流限值,則將其關(guān)斷。此外,由于電感器飽和或旁路二極管短路等原因,當(dāng)電流達(dá)到限值的 150% 時,電路將進(jìn)入低占空比操作模式。


2)欠壓保護(hù):當(dāng)反饋引腳電壓 (VFB) 降至 300 mV 以下時,該電路將關(guān)斷,并且在 VFB 超過 530 mV 之前一直保持關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)在低壓下啟用輸入電壓跟隨升壓(follower boost)時,F(xiàn)B 引腳拉動 25 uA 電流 (IFB(LL)) 以調(diào)低輸出電壓,而 UVP 遲滯閾值則增大至 1.2/1.3 V。如果啟動時交流線路過低或反饋網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障(例如反饋引腳發(fā)生意外接地短路故障),此功能可保護(hù) PFC 級。


3)冗余過壓保護(hù) (OVP2):CS/ZCD 多功能引腳用于檢測過高的輸出電壓電平,并在反饋網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯誤(電阻值錯誤、老化效應(yīng)…)時防止破壞性輸出電壓失控。


4)熱關(guān)斷:當(dāng)結(jié)溫超過 150°C(典型值)時,內(nèi)部熱電路會禁用柵極驅(qū)動。一旦溫度降至約 100°C(50°C 遲滯)以下,電路將恢復(fù)工作。

便于制造和安全測試:


PFC 級的元件可能會因制造或處理事故、過大的操作應(yīng)力或其他故障而導(dǎo)致意外短路、焊接不良或損壞。特別地,控制器的相鄰引腳可能會短路、接地或連接不良。通常要求這種導(dǎo)通/關(guān)斷的情況不會引起火災(zāi)、煙霧或噪音。NCP1623A 集成了增強(qiáng)功能,可協(xié)助在諸如引腳連接不當(dāng)(包括 GND)或是升壓或旁路二極管短路的情況下滿足上述要求。


與 TSOP?6 版本相比,SOIC?8 選項還帶有由 DIS 引腳控制的睡眠模式。該引腳上的高電平或開路會禁用控制器,并將 ICC 偏置電流降至 20 μA 以下(典型值)。此功能有助于滿足苛刻的待機(jī)功耗要求。


1681461701261567.png

圖 1:系統(tǒng)板的電路圖


步驟 1:定義關(guān)鍵規(guī)格


●  線路頻率 fline


面向 50 Hz/60 Hz 應(yīng)用。實(shí)際上,通常是在 47?63 Hz 的范圍內(nèi)指定該值。對于“保持時間”等的計算,必須考慮指定最低值。


●  最低線路電壓 (Vline,rms)LL


這是 PFC 級必須運(yùn)行的最小 rms 輸入電壓。該值通常比最小典型電壓(許多國家為 100 V)低 10?12%。我們將?。?Vline,rms)LL 90 V。


●  最高線路電壓(Vline,rms)HL


這是最大 rms 輸入電壓。它通常比最大典型電壓(許多國家為 240 V)高 10%。我們選擇:(Vline,rms)HL 264 V。


●  標(biāo)稱電壓 Vout,nom


這是高壓線調(diào)節(jié)電壓。Vout,nom 必須高于 (√2 · (Vline,rms)HL )。我們的目標(biāo)值是 390 V。


●  低壓線輸出電壓 Vout,LL


NCP1623A 輸入電壓跟隨升壓(follower boost)功能提供了在低壓下選擇較低調(diào)節(jié)電壓的能力,以實(shí)現(xiàn) PFC 級的尺寸和效率優(yōu)化。該值通常被設(shè)置為略高于高壓檢測閾值。我們的目標(biāo)值是 250 V。


●  磁峰-峰值輸出電壓紋波 ( Vout)pk?pk


此參數(shù)通常以輸出電壓的百分比來指定。必須選擇等于或低于 6% VFB 磁峰-峰值紋波,以免在正常操作中觸發(fā)動態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器 (DRE)。


●  保持時間 tHOLD?UP


此參數(shù)指定在線路壓降期間輸出保持有效的時間。通常指定單線周期。此要求需要了解 PFC 級輸出上為確保應(yīng)用正常運(yùn)行所需的最小電壓 (Vout,min )。我們已經(jīng)假設(shè) (Vout,min = 180 V) 足夠高,可以向下游轉(zhuǎn)換器提供足夠的輸入電壓。


●  輸出功率 Pout


這是 PFC 負(fù)載的功耗。


●  最大輸出功率 Pout,max


這是最大輸出功率,在我們的應(yīng)用中為 150W。


●  最大輸入功率 (Pin,avg)max


這是在正常運(yùn)行時可以從電源獲取的最大功率。該值是在滿載、低壓條件下獲得的。假設(shè)在這些條件下的效率為 95%,我們將使用:


25.png(公式1)


步驟 2:功率級設(shè)計


在重載條件下,NCP1623A 將于臨界導(dǎo)通模式 (CrM) 下運(yùn)行。因此,電感器、大容量電容和功率硅器件的尺寸通常與其他 CrM PFC 的相同。本章不會詳細(xì)說明這一過程,而是強(qiáng)調(diào)幾個關(guān)鍵點(diǎn)。


PFC 電感器


電路的導(dǎo)通時間受到內(nèi)部限制。PFC 級可以提供的功率取決于電感器,因?yàn)?L 值將確定給定導(dǎo)通時間的電流上升。具體而言,以下公式給出了 PFC 級的功率能力:


26.png(公式2)


電感器越小,PFC 級的功率能力就越高。因此,L 必須足夠低,以便可以在最低線路電平下提供全功率:


26-1.png(公式3)


與傳統(tǒng)的 CrM 應(yīng)用一樣,以下公式給出了其他重要參數(shù):


●  最大峰值電流:


27.png(公式4)


●  最大 rms 電流:


28.png(公式5)


在我們的應(yīng)用中,電感器必須滿足以下要求:


29.png(公式6)


Ton,max(典型值為 12.5 μs)的最小值為 10.8 μs,將用在公式 6 中,因?yàn)檫@是計算 L 時的最壞情況。建議選擇比公式 6 返回的電感值至少小 25% 的電感值,以獲得充足的裕量。為了系統(tǒng)的緊湊性,選擇的是 200 μH 電感器。它由用于零電流檢測的 10:1 輔助繞組組成??梢钥吹剑珻rM 操作中的開關(guān)頻率取決于電感器值:


30.png(公式7)


例如,在低壓、滿載(正弦曲線頂部)條件下,開關(guān)頻率為:


31.png(公式8)


上述計算對應(yīng)的低壓調(diào)節(jié)電壓為 250 V。


在實(shí)際設(shè)計中,PFC 輸出功率在輸入電壓過零點(diǎn)時不理想,因此實(shí)際導(dǎo)通時間將延長,以調(diào)節(jié)所需的負(fù)載。與公式 4、公式 5 和公式 7 中的計算結(jié)果相比,隨著導(dǎo)通時間的延長,電感器峰值和 rms 電流會升高,而開關(guān)頻率則降低。因此,建議在公式中增加至少 20% 的裕量。


功率器件


一般而言,二極管橋和功率開關(guān)被置于同一散熱器上。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可以估算散熱器必須滿足如下散熱目標(biāo):


●  在多電源應(yīng)用中,約為輸出功率的 4%(95% 通常是目標(biāo)最低效率)

●  在單電源應(yīng)用中,約為輸出功率的 2%。在我們的多電源應(yīng)用中,大約需要消散 4 W 的熱能。在該熱能的損失源中,可以列出:

●  二極管橋的導(dǎo)通損耗可通過以下公式來估算:


32.png(公式9)


其中 Vf 是橋式二極管的正向電壓。


●  MOSFET 導(dǎo)通損耗由下式給出:


33.png(公式10)


在我們的應(yīng)用中,采用的是:


●  Pbridge = 2.1 W(假設(shè) Vf 為 1 V)。

●  (Pon)max = 1.03 · RDS(on) W。假設(shè) RDS(on) 在高溫下加倍,因此最大導(dǎo)通損耗約為 2.6 · RDS(on) W。


開關(guān)損耗不易計算,我們不作預(yù)測。相反,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),我們會假設(shè)損耗預(yù)算等于 MOSFET 導(dǎo)通的損耗預(yù)算。實(shí)驗(yàn)測試將檢驗(yàn)它們是否低于估算值。


升壓二極管是以下導(dǎo)通損耗的來源:IOUT · Vf,其中 IOUT 是負(fù)載電流,而 Vf 是二極管正向電壓。在低壓條件下(調(diào)節(jié)電平設(shè)置為 250V 時),最大輸出電流為 0.4A,二極管導(dǎo)通損耗在 0.4W 范圍內(nèi)(假設(shè) Vf= 1 V)。PDIODE = 0.4 W。


PFC 輸出大容量電容


在定義大容量電容時,通常主要有三個標(biāo)準(zhǔn)/約束:


●  磁峰-峰值輸出電壓紋波:


34.png(公式11)


其中 (ω = 2π · fline ) 是線路頻率。


磁峰-峰值 FB 引腳電壓紋波 (δVFB)pk?pk 通常低于 FB 參考電壓 (VREF= 2.5 V) 的 ±3%(6% 磁峰-峰值),以免在正常操作中在良好的裕量下觸發(fā) OVP 和 DRE 功能。反饋電阻分壓比由下式給出:


35.png(公式12)


因此,磁峰-峰值 FB 電壓為:


36.png(公式13)


由此,在 47 Hz 線路頻率下,將 VFB 紋波限制在 6% 的最小 CBULK 為:


37.png(公式14)


●  保持時間的規(guī)格:


38.png(公式15)


其中,保持時間為 10 ms。


●  Rms 電容器電流:


Rms 電流取決于負(fù)載特性。假設(shè)知道電阻負(fù)載,我們可以推導(dǎo)出其大小的以下近似表達(dá)式:


39.png(公式16)


在我們的應(yīng)用中,采用的是:


40.png(公式17)



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