www.onsemi.cn 安森美半导体低待机能耗电源方案
更高的能效目标 电源设计人员面临的挑战 设计不再仅须顾及满载能效 可能需要评估 10% 20% 50% 及 75% 负载等条件下的能效 新的电源可能更易于滋生可听噪声 纤薄变压器及低厚度外壳 ( 一体式计算机 / 平板电视 ) 谐振转换器要求功率因数校正 (PFC) 电路一直导通, 而无论处于何种负载等级 轻载工作可能导致临界导电模式 (CrM) PFC 进入突发模式 / 跳周期模式 须增强可靠性及安全性 采用分立输入欠压感测, 避免升压电源段过载 增加额外保护电路, 提供更全面的故障处理 将尺寸过大之元器件需求减至最小, 应对故障条件 加快上市进程, 包括缩短安全认证时间 2
安森美半导体 PFC 产品阵容及后续产品 功率因数控制器 可变频率 固定频率 连续导电模式 (CCM) 不连续导电模式 (DCM) 单段式 PFC 交错式 PFC 带高压启动电路 MC33368 不带高压启动电路 MC33260 MC33262 NCP1607 NCP1608 不带高压启动电路 NCP1650 NCP1653 NCP1654 NCP1611 NCP1612* - 提供 PFC OK 信号及独立大电压欠压感测 带高压启动电路 NCP1605 不带高压启动电路 带高压启动电路 NCP1652A 不带高压启动电路 NCP1631 正待批专利 的专有电流控制频率反走 (Current Controlled Frequency Foldback, CCFF) 控制原理结合了节能与故障条件安全处理 * 2012 年 1 月上市 3
The NCP1611 is a robust feature-rich Current Control Frequency Foldback (CCFF) PFC controller optimized to achieve high efficiency across a broad range of load while offering a complete suite of system level safety protection. 独特特性 CrM w/current controlled frequency foldback Skip mode Saturated inductor and bypass/boost diode short protection 其它特性 Optimizes efficiency across load range Better light load efficiency Very robust safety characteristics Fast load transient behavior Output over and under-voltage protection Maximum Vcc of 35 V with internal 14V Gate Clamp OCP, UVLO, brown-out protection Soft-Start for smooth start-up operation (A version) Robust open and short pin protection (see table) Thermal shutdown 市场及应用 Large Flat TVs Computer Power Supplies High Power Adapters LED Lighting and Ballasts PFC Applications < 300 W NCP1611 增强型 PFC 控制器 Control Pin Pin SHORT to GND Pin left OPEN Vcontrol 1 OFF -'Static OVP' "Functional" -low PF,loop bandwidth not set Vsense 2 OFF -Brownout OFF, non operational FFcontrol 3 OFF -Skip mode Normal operation but no frequency foldback CS/ZCD 4 OFF -Stops operation OFF -pullup up current source FB 8 OFF -UVP OFF -250 na pull down to low state 订购及封装信息 NCP1611ADR2G: SOIC8 10.5-V V CC Startup NCP1611BDR2G: SOIC8 17.0-V V CC Startup Pb 4
NCP1611 典型应用电路图 输入锻压检测 频率反走 / 跳周期控制 能够轻易地关闭跳周期功能 输出反馈感测 两个版本 : 环路补偿 零电流检测 (ZCD) 及电流感测 (CS) 功能以低成本 1N4148 二极管结合在单个引脚上 A 启动电压 10.5 Vdc( 典型值 ), 带软启动功能, 用于平板电视等有辅助电源的应用 B 启动电压更高, 为 17 Vdc( 典型值 ), 带正常启动功能, 用于能使用较小 Vcc 电容的自启动应用 5
理解电流控制频率反走 (CCFF) 架构 大电流无延迟 Ł CrM 小电流下一个周期无延迟 * 正待批专利之架构 定时器延迟 更小电流更长死区时间 定时器仅控制死区时间 定时器对应电流电平调节死区时间 反走频率限制为 >20 khz 正待批专利的架构提供市场上领先的性能 定时器延时 6
CCFF 架构详解 固定导通时间控制, 带频率反走 大电流时, 电路以临界导电模式 (CrM) 工作 小电流时 ( 重负载时接近线路过零点, 轻载时位于全部正弦方波 ): 磁芯复位后下一个周期并不会立即启动 相反, 定时器开始调节死区时间 电流越小, 定时器持续时间 ( 死区时间 ) 越长 定时器持续时间取决于大小 定时器仅控制死区时间 ( 不控制开关周期 / 关闭时间 ) 死区时间不受电流周期时长变化的影响, 因此我们可以毫不犹豫地进行谷底导通 7
CCFF 控制架构提升能效 采用传统 CrM/BCM ( 边界线控制 ) 时 : 负载降低时, 开关频率上升 极低负载时, 控制器可能进入 跳周期模式, 滋生可听噪声 采用 CCFF 控制架构时 : 负载降低时, 开关频率降低, 减小功率损耗 轻载时, 控制器可以在高于可听噪声频段的较低频率处钳位 极低负载时采用跳周期模式工作 ( 可以轻易关闭 ) 谷底导通进一步提升能效, 减小电磁干扰 (EMI) 8
230 V 满载时的一般特性 V IN A B C V R3 V LINE DRV q V R3 是电流感测电阻 R 3 的电压信号 q 我们将放大 A 点 B 点及 C 点处的波形 9
A 放大正弦波顶部 (A 点 ) V DS V R3 V LINE DRV q 在正弦波顶部, 电路以临界导电模式 (CrM) 工作 q MOSFET 在谷底导通 10
B 放大电压电平中间点 V DS V R3 V LINE DRV q 线路电压下降时, 线路电流下降 q NCP1611 降低开关频率 q MOSFET 仍在谷底导通 11
C 放大临近线路过零点处 V DS V R3 V LINE DRV q 接近线路过零点时, 线路电流极小 q NCP1611 进一步降低开关频率 q MOSFET 仍在谷底导通 12
(% ) y c n ie fic E 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Relative Output Power (%) 演示板能效性能 CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Vin= 115 Vac, Pout(max) = 160 W (% ) y c n ie fic E 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 Vin= 230 Vac, Pout(max)= 160 W 85 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Relative Output Power (%) CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM q 通过在 FF 控制引脚增加直流偏置, 我们可以比较不同模式下的工作 q0.9 V 偏置关闭跳周期模式 q2.5 V 偏置迫使 NCP1611 在传统 CrM 模式下工作 q CCFF 相较于 CrM 大幅提升轻载能效 q230 Vac 20% 负载时高出约 5.5%,@115 Vac 10% 负载时高出约 7% 13
1.00 0.95 功率因数 (PF) 及总谐波失真 (THD) 性能 100 90 0.90 0.85 F ) 0.80 (P r to 0.75 c a F r 0.70 e w o P 0.65 0.60 0.55 0.50 CCFF with Skip CCFF with Skip Off Vin= 115 Vac, Pout(max) = 160 W 0.45 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Relative Output Power (%) CRM 80 ) (% n 70 rtio tro 60 is D 50 ic n o CCFF with Skip 40 CCFF with Skip Off rm a CRM H l 30 ta o T 20 10 Vin= 115 Vac, Pout(max) = 160 W 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Relative Output Power (W) 1.00 100 0.95 90 0.90 0.85 ) F 0.80 (P r to 0.75 c a F r 0.70 e w o P 0.65 0.60 0.55 CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM 80 ) (% n 70 rtio to 60 is D ic 50 n o rm 40 a l H ta 30 o T 20 CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Mode 0.50 Vin= 230 Vac, Pout(max) = 160 W 0.45 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Relative Output Power (%) 10 Vin= 230 Vac, Pout(max) = 160 W 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Relative Output Load (%) 14
性能 动态响应增强器用于提供快速的线路 / 负载瞬态响应 最高达 35 V 的宽 Vcc 范围, 带门电压钳位功能 启动电流典型值 20 µa, 最高 50 µa A 版本 B 版本 Vcc 启动电压 10.5 V Vcc 启动电压 17 V 线路范围检测功能调节及优化环路增益 A 版本提供软启动功能 /B 版本能使用较小 Vcc 电容, 易于启动 谷底导通功能利于提供最佳能效及产生极低电磁干扰 (EMI) 安全性 Vcc 欠压锁定 (UVLO) 及线路输入欠压 (BO) 保护 在电感饱和或旁路二极管短路条件下提供过流保护 (OCP) 输出过压保护 ( 软 OVP 及快速 OVP) 及欠压保护 (UVP) 反馈开路关闭及接地开路故障监控 过热关闭 关键特性 15
NCP1611 稳压工作 * -3.2%/+1.6% from 40 to + 125 ºC 16
PFC 控制器 Protection and Control Features NCP1608 NCP1611 NCP1612 Benefit Fast Overvoltage Protection (F-OVP) o o o Undervoltage Protection o o o Protects supply under abnormal operation Bulk Sensing Current Sense Monitoring Open Pin Protection Control Soft OVP o o Improved transient response when load is reduced Dynamic Response Enhancer o o Dramatically improved transient response Bulk Undervoltage Protection (BUV) o Informs downstream controller when Bulk is too low Independent Sensing of FOVP & BUV o Enhanced Fault Protection Cycle-by-cycle Over Current Protection o o o Fault Protection Shorted Boost or Bypass Diode o o System Robustness, Safety Testing Saturated Inductor Detection o o Fault Protection Vcc - UVLO o o o Ensures proper operation of controller UVLO Gate Driver Pulldown o o o Ensures FET is off during turn on and turn off Line Range Gain Selection o o Optimizes control loop for wide mains applications AC Line Brownout o o Improves system robustness to line faults FB o o o CS/ZCD o o GND o o FOVP/BUV o Simplifies safety testing Disable o o o Simplifies PFC ON/OFF Sequencing Soft Start A Version A Version Reduced component stress at startup High Vcc Startup Threshold/Low Icc B Version B Version Reduces Vcc capacitor size & startup time Skip Mode Disable o o Eliminates audible noise, improves THD & PF at light load Thermal Shutdown o o Enhanced Fault Protection PFC Okay o Sequencing control for downstream converter Latch Input o Enhanced fault control, easy to implement thermal latchoff 17 Note: NCP1612 Available January 2012
NCP1611 特性详解 检测及进入软 OVP 输入欠压检测, 提供 软 停止 Load current (0.5 A/div) V BULK VCONTROL Line Current (2 A/div) V CONTROL gradual decrease 50-ms blanking time V BULK DRV V CONTROL V aux 动态响应增强器 (DRE) 工作 线路电压突降 (90 至 70 Vac) Line Current (5 A/div) Line Current (5 A/div) V BULK V BULK V CC V CC V CONTROL V CONTROL a) Load abrupt rise b) Load abrupt decay Figure 1 Bulk voltage variations when the load changes from 100 to 400 ma (2 A/µs slope) 18
轻易解决开路及短路引脚故障, 提升安全性 Control Pin Pin SHORT to GND Pin left OPEN Vcontrol 1 OFF -'Static OVP' "Functional" -low PF,loop bandwidth not set Vsense 2 OFF -Brownout OFF, non operational FFcontrol 3 OFF -Skip mode Normal operation but no frequency foldback CS/ZCD 4 OFF -Stops operation OFF -pullup up current source FB 8 OFF -UVP OFF -250 na pull down to low state 即使在接地引脚开路的条件下此元件也受到保护!!! 19
NCP1611 相关资源 提供下列资源, 帮助简化评估及设计流程 : 工程样品 NCP1611GEVB 160 W 演示电路板, 配有 : 电路图及物料单 (BOM) Gerber 文件 详细评估板小册子 安全评估应用注释 逐步设计指引 NCP1611 Excel 设计工具 < 13 mm 高度 20
NCP1611 PFC 控制器小结 新颖及正待批专利的控制技术 电流控制频率反走 (CCFF) 临界导电模式 (CrM)/ 不连续导电模式 (DCM) 工作, 带谷底开关 宽工作电源范围下提供极佳能效 宽负载范围下提供高功率因数及良好的总谐波失真 (THD) 性能 相较于标准 CrM PFC 控制器的性能提升 更高的故障处理能力 更佳的瞬态响应 灵活支持不同偏置情形 专门针对平板电视 电源适配器 高能效计算机电源及 LED 驱动器电源进行了优化 21
谢谢! 若有疑问, 敬请提出! 22