中心議題：
- 電源設(shè)計(jì)的現(xiàn)有存在的問(wèn)題
- 高性能CCM PFC及LLC組合控制器的優(yōu)勢(shì)
- 高性能CCM PFC及LLC組合控制器NCP1910的設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及平板電視向來(lái)是能效規(guī)范機(jī)構(gòu)的重要目標(biāo)，這些設(shè)備必須在滿(mǎn)足高性能的同時(shí)符合最新能效要求。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)范的電源控制器。本文將介紹安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于計(jì)算機(jī)ATX電源及平板電視的高能效、高性能功率因數(shù)校正(PFC)及半橋諧振雙電感加單電容(LLC)組合控制器NCP1910的主要特性及電源段的應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助工程師更好地采用NCP1910進(jìn)行相關(guān)的電源設(shè)計(jì)。
現(xiàn)有方案及存在的問(wèn)題
用于上述電源設(shè)計(jì)的現(xiàn)有方案存在的最大問(wèn)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(hù)功能的PFC控制器，還要有帶輸入欠壓(BO)保護(hù)及閂鎖功能的LLC控制器；用于處理“功率良好”(PG)信號(hào)的比較器，以及用于感測(cè)的額外電路也必不可少。此外，為了實(shí)現(xiàn)次級(jí)端過(guò)壓保護(hù)(OVP)，需要可控硅整流器(SCR)、比較器及感測(cè)電路；為了提供LLC短路保護(hù)(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(gè)單芯片中結(jié)合所有功能，實(shí)現(xiàn)一種組合控制器就可以使這些問(wèn)題迎刃而解。
高性能CCM PFC及LLC組合控制器的優(yōu)勢(shì)
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(gè)轉(zhuǎn)換器所需的全部信號(hào)交換(handshaking)功能，既可提高可靠性，又可支持更簡(jiǎn)單、更高密度的設(shè)計(jì)。NCP1910采用SOIC-24封裝，適用于高功率的ATX、一體機(jī)(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(shí)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(guò)流閾值提供優(yōu)化的感測(cè)電阻；
•過(guò)功率限制可根據(jù)平均輸入電壓限制電流；
•PFC異常保護(hù)，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(hù)可避免反饋網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)錯(cuò)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(guò)壓保護(hù)可自動(dòng)恢復(fù)OVP閾值(穩(wěn)壓電平的105%)；
--動(dòng)態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器可在Vbulk降至低于其穩(wěn)壓電平的95%時(shí)，使用其內(nèi)部200 µA電流源來(lái)加快穩(wěn)壓環(huán)路速度；
•冗余OVP(OVP2)使用專(zhuān)用引腳來(lái)閂鎖Vbulk OVP；
•可調(diào)節(jié)線路輸入欠壓帶50 ms消隱時(shí)間(blank time)，避免在低輸入電壓時(shí)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(dòng)；
•圖騰柱(Totem Pole)驅(qū)動(dòng)能力為±1.0 A門(mén)驅(qū)動(dòng)器。
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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(shí)間為300 ns，可避免shot-through；
•在軟啟動(dòng)或重啟時(shí)，專(zhuān)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(shí)，SS引腳給CSS放電，并提供純粹的軟啟動(dòng)；
•高壓驅(qū)動(dòng)器門(mén)驅(qū)動(dòng)器為+ 0.5 A -1.0 A；
•雙故障保護(hù)電平位于CS/FF引腳：
--CS/FF > 1 V：LLC轉(zhuǎn)換器立即通過(guò)將CSS接地來(lái)增加開(kāi)關(guān)頻率。這是一種自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)模式；
--CS/FF > 1.5 V：當(dāng)故障嚴(yán)重并使CS/FF高于1.5 V時(shí)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(cè)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(shí)，LLC驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入跳周期模式，降低頻率，提升輕載能效。
簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方法
使用NCP1910進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，只要三步即可完成，如圖2所示。第一步是設(shè)計(jì)PFC段，第二步是設(shè)計(jì)LLC段，第三步是設(shè)計(jì)信號(hào)交換部分。
圖2 NCP1910 的設(shè)計(jì)過(guò)程
電路中的BO及PG電平是由R1、R2、R3決定的，無(wú)須感測(cè)高壓。BO電平在Vbulk電平(如300 V，取決于電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求)時(shí)使LLC停止工作；PG電平在Vbulk電平時(shí)，器件通知次級(jí)端監(jiān)控電路，產(chǎn)生功率故障(Power Fail)信號(hào)；在PFC頻率反走輸入功率級(jí)時(shí)，PFC開(kāi)始降低工作頻率。以下是PFC段和/或LLC段運(yùn)用熱關(guān)閉及過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)功率、輸入欠壓等保護(hù)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(dòng)；一旦PFC就緒，就會(huì)開(kāi)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(kāi)始工作。在撥除交流輸入關(guān)閉電源時(shí)Vbulk降低，到達(dá)PG信號(hào)時(shí)，PGout引腳被釋放(開(kāi)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(huì)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(zhuān)用引腳接收由次級(jí)端監(jiān)控芯片由光耦控制的導(dǎo)通/關(guān)閉(on/off)信號(hào)；在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳被釋放開(kāi)路時(shí)，PFC及LLC均停止工作；在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳接地時(shí)，PFC開(kāi)始軟啟動(dòng)→PFCok→20 ms后，LLC開(kāi)始軟啟動(dòng)。
圖4：遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉[page]
熱關(guān)閉(TSD)：過(guò)熱保護(hù)功能有助于實(shí)現(xiàn)良好的電源設(shè)計(jì)。當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)140℃時(shí)，該功能激活，驅(qū)動(dòng)器變?yōu)榈碗娖?；結(jié)點(diǎn)溫度降到典型值30℃時(shí)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(kāi)始反走的Vfold值；當(dāng)(VCTRL – VCTRL(min))小于Vfold時(shí)，頻率開(kāi)始反走；內(nèi)部鉗位限制反走的最大功率；啟動(dòng)時(shí)無(wú)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(shí)，VCTRL隨之下降；當(dāng)?shù)竭_(dá)反走設(shè)定點(diǎn)時(shí)，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[page]
PFC段：
1. 線路輸入欠壓(BO)保護(hù)：線路輸入欠壓引腳接收部分平均輸入電流，因此，感測(cè)到低線路電壓時(shí)，50 ms定時(shí)器就會(huì)激活。這段消隱時(shí)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(shí)仍處于低電平，輸入欠壓保護(hù)就被觸發(fā)，PFC驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉，VCTRL引腳接地，可使器件在故障消失時(shí)使用軟啟動(dòng)。
圖8：線路輸入欠壓保護(hù)
2. 快速瞬態(tài)響應(yīng)/過(guò)壓保護(hù)(OVP)：當(dāng)VFB > 105% VPREF時(shí)，過(guò)壓保護(hù)激活，驅(qū)動(dòng)器輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)VFB低于103.2% VPREF時(shí)，器件自動(dòng)恢復(fù)工作。
圖9：PFC-快速瞬態(tài)響應(yīng)/過(guò)壓保護(hù)
3. 冗余OVP(閂鎖)：專(zhuān)用OVP2引腳用來(lái)保護(hù)大電容；電路中內(nèi)置的20 µs濾波器用來(lái)提供更佳的噪聲免疫性。當(dāng)OVP2比較器被觸發(fā)時(shí)，PFC及LLC均關(guān)閉。PFCok信號(hào)假定為低電平時(shí)，PGout被釋放開(kāi)路，使LLC停止工作。
圖10：PFC-冗余OVP[page]
4. PFC異常檢測(cè)：PFC異常檢測(cè)的目的在于，如果PFC沒(méi)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(shí)PFC驅(qū)動(dòng)器電阻損毀的情況。實(shí)現(xiàn)PFC異常檢測(cè)保護(hù)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(shí)間長(zhǎng)于1秒(tPFCabnormal)，則PFCok內(nèi)部信號(hào)下降，PGout引腳立即釋放開(kāi)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(hù)(UVP)/反饋環(huán)路異常保護(hù)：UVP可以防止在反饋故障條件下啟動(dòng)。當(dāng)VFB < 8% VPREF = 0.2 V時(shí)，UVP激活，器件關(guān)閉；當(dāng)VFB高于12% VPREF = 0.3 V時(shí)，器件自動(dòng)開(kāi)始工作。
圖11：PFC–欠壓保護(hù)/反饋環(huán)路異常保護(hù)
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(mǎn)載時(shí)從264 Vac劇降至90 Vac)時(shí)，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(shí)，VLBO可下拉至2 V(VLBO(PD))：VLBO高于2 V(高線路電壓時(shí))，以及VCTRL處于最大值的時(shí)間長(zhǎng)于4 ms(tPFCflag)；Vbulk低于額定輸出的95%時(shí)。PFC Power Boost功能在啟動(dòng)時(shí)被禁止；最長(zhǎng)下拉持續(xù)時(shí)間的典型值為5 ms(tLBO(PDlimit))；在后續(xù)最少70 ms時(shí)間(tLBO(PDblank))內(nèi)，開(kāi)關(guān)保持在開(kāi)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(gè)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(dòng)頻率；RSS和CSS決定軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間。Rt引腳控制LLC
圖12：LLC的控制
2. 完整軟啟動(dòng)：SS引腳接地條件是：?jiǎn)?dòng)，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(shí)，SS引腳上的開(kāi)關(guān)被釋放開(kāi)路，執(zhí)行從啟動(dòng)(重啟)開(kāi)始的完整軟啟動(dòng)。
圖13：完整軟啟動(dòng)[page]
3. 跳周期模式(僅B版本提供)：跳周期模式在輕載時(shí)可削減LLC輸出脈沖，從而避免任何頻率失控(runaway)，改善待機(jī)能耗。
圖14：跳周期模式
為了幫助設(shè)計(jì)，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(jī))。
圖15：演示電路板
能效測(cè)試結(jié)果表明，該演示電路板的能效等級(jí)目標(biāo)，如典型負(fù)載能效及功率因數(shù)、空載及待機(jī)輸入能耗等如表1所示。
表1：能效等級(jí)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(dú)立OVP、PFC動(dòng)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(dòng)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(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板電視提供高能效、高性能的電源設(shè)計(jì)。
