固定频率连续电流型PFC控制器NCP1653概要.docx

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固定频率连续电流型PFC控制器NCP1653概要

固定频率连续电流型PFC控制器NCP1653及其应用 

作者：

李龙文 

摘要：

讨论了固定工作频率、连续电流型PFC电路的工作原理，介绍了NCP1653的引脚功能及使用特点。

给出了一个典型应用电路及其试验波形。

0引言

   从交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子设备中应用极为广泛的一种基本变流技术。

例如在开关电源（即AC/DC开关电源）的输入端，交流电流经全波整流后，一般接一只大电容，以得到波形较为平直的直流电源。

这种整流器与电容滤波器的组合，虽然输入交流电压是正弦的，但输入交流电流却是脉冲状的。

这种严重畸变的非正弦电流，造成了谐波电流对电网的危害，并引起输入端功率因数的下降。

   有源功率因数校正（PFC，ActivePowerFactorCorrection）电路的引入，应用电流反馈技术，使输入电流的波形跟踪输入正弦电压的波形，大大减小了谐波，提高了功率因数。

由于PFC电路采用Boost拓扑，所以可以在较宽的输入电压范围（如AC90~264V）和宽频下工作。

然而，PFC电路在较低输入电压时，电路的损耗加大，效率也会降低。

NCP1653采用固定工作频率及连续电流方式，满足了PFC电路的各项控制功能，它所特有的跟随型升压技术则满足了在不同的输入电压条件下，使电路中的功率器件始终工作于最优化的状态。

1NCP1653的功能框图

   NCP1653是一款设计成连续导通型（CCM）的功率因数校正用升压式的PFC控制电路，它可以工作在跟随升压或固定输出电压两种模式，工作频率固定于100kHz，有效地减少了升压电感的体积，减小了功率MOSFET的电流应力，从而降低了成本，采用DIP-8及SO-8封装，它的外围元器件数量很少，且极大地简化了CCM型的PFC的操作，它还集成了高可靠的保护功能。

   NCP1653典型应用简图如图1所示，其原理方框图如图2所示，其引脚功能如下。

图1NCP1653的典型应用电路

图2NCP1653PFC控制器的内部等效电路

   脚1（FB/SD）反馈及关断国该端子接受反馈电流IFB，它正比于PFC电路的输出电压，该电流大小用于输出电压调节，输出过压保护（OVP）及输出欠压保护。

   脚2（Vcontrol）控制电压/软起动国该端电压直接控制输入阻抗，亦即电路的功率因数，该端接一外接电容以限制Vcontrol带宽，典型值为20Hz以下，以便实现单位功率因数。

在Vcontrol=0时，器件无输出。

因此，Vcontrol也用做软起动。

   脚3（In）输入电压控制国该端流入一个由输入电压给出的电流Ivac，它正比于输入电压的均方根值Vac，电流Ivac还用于过功率限制（OPL）及PFC的占空比调制，当乘积IsIvac达到3nA2过功率保护阈值时，OPL激活，并使占空比减少，用降低Vcontrol的方式直接减少输入功率。

   脚4（CS）输入电流检测国该端给出一个电流Is，它正比于电感电流IL，检测电流Is用于过流保护（OCL），过功率限制（OPL）以及占空比调制，当Is达到200μA以上时，OPL即开始工作并禁止输出。

   脚（5）（VM）乘法器电压国该端提供一个电压VM用于PFC的占空比调制，PFC输入电路的输入阻抗正比于外接于此端的电阻RM，器件工作在平均电流型时要在此处外接一个电容CM，否则，将工作在峰值电流型。

   脚6（GND）公共端国地端。

   脚7（Drv）驱动输出国该端给出调制脉冲，驱动外接的功率MOSFET。

   脚8（Vcc）电源电压国它给器件提供工作电压，工作范围为8.75~18V，UVLO阈值为13.75V。

2NCP1653的工作原理

2.1CCM式PFC升压

   一个CCM升压变换器如图3所示，输入电压由50Hz或60Hz正弦信号整流得来，MOSFET在102kHz频率下开关，所以电感电流IL由高频及低频两部分组成。

图3CCMPFC的升压电路PFC的方法论证

   滤波电容Cfiltor是一个小容量的电容，这也是为了减小高频电感的电流IL，该滤波电容不能太大，否则会引起输入电压畸变而影响功率因数。

   NCP1653使用一个预先设置的PFC方式特别设计成CCM方式工作。

PFC的工作原理论证如下。

如图4所示，电感电流IL在开关周期T中，充电部分t1和放电部分t2，电压变换比为

图4CCM中的电感电流

   输入滤波电容Cfiltor及前端EMI滤波吸收电感电流的高频部分，它使输入电流Iin成为低频的电感电流。

   使电感电流IL的带宽成为50Hz或60Hz带宽。

   从式

（1）和式

（2），得到输入阻抗Zin为

   当输入阻抗Zin恒定或在50~60Hz的带宽内缓慢变化时，则功率因数被校正。

   PFC占空比调制及时序图如图5所示，其中MOSFET在t1时刻导通，此为基准电压Vret与斜波电压Vramp交叉点。

   充电电流Ich专门设计于式（5），乘法器电压VM表达式见式（6）。

   从式（3）~式（6），输入阻抗Zin由式（7）给出

   由于Vref和Vout随时间变化大致上是恒定的，乘法器电压Vm设计成正比于IL-50。

这样对PFC可以有一个恒定的Zin，如图6所示。

   由图5的时序图可以看出，电感电流的开关频率纹波组成了初始的Vm，占空比可以因这个纹波准确的产生，这种调制称作峰值电流型。

这样，一个外部电容Cm接到乘法器电压Vm端（脚5），专门用于旁路Vm的高频含量，这种调制就变成了所谓的平均电流型，它有更好的精度。

图5PFC的时间顺序图

图6乘法器电压与时间图

   乘法器电压Vm由式（8）给出，即

   输入电压的电流Irac正比于输入电压的有效值Vac，如式（9）所列。

后缀ac描述有效值，它为50Hz或60Hz带宽。

乘法器电阻RM是外接电阻，接于乘法器电压有效值M端（脚5），它是恒定的。

   由于电流Is正比于电感电流IL，式（10）所表示，IL由高频成分（取决于di/dt或电感L）及低频率分量（为IL-50）组成。

   控制电流Icontral是一个基本恒定的电流，它来自PFC的输出电压Vout，这是一个缓慢变化的信号。

Icontrol的带宽可用加一个外接电容Ccontrol来限制，Ccontrol接到Vcontrol端（脚2），如图7所示。

推荐限定带宽（fcontrol）典型值为20Hz，以实现PFC的目标，Ccontrol的典型值为0.1~0.33μF，其表达式为

图7VCONTROL的低通滤波

   从式（7）~式（10），可得输入阻抗Zin为

   乘法器电容CM是滤掉乘法器电压VM中高频成分的一个滤波器。

高频成分来自电感电流IL，换句话说，滤波电容Cfilter同样移取了电感电流IL的高频分量，如果电容CM及Cfilter彼此互相匹配。

则IL变成IL-50，输入阻抗Zin就近似恒定在50~60Hz的带宽内，因此功率因数被校正。

   实际上，差模电感在EMI的前端滤波器改善了电容Cfilter的滤波性能。

因此乘法器电容CM通常用一个大容值电容。

   输入及输出功率（Pin和Pout）由式（13）给出，此时，电路效率η为假设值，Vac为输入电压的RMS值。

   又因为Pout=ηPin

   因此，Pout也正比于IcontrolVacVout。

2.2跟随型升压

   NCP1653可以实现恒定型电压输出，也可以实现跟随型电压输出。

跟随型电压输出可有效地减小PFC电感的体积，降低对功率MOSFET的要求。

用这种技术，输出电压不必设定在不变的电平，可根据输入电压和负载决定，容许较低的输出电压，可降低电感及功率MOSFET的成本。

在宽输入电压范围（如AC90~264V）应用场合，当输入电压较低时，这种方式可减少功率MOSFET的导通时间，从而减少PFC电路的功耗，降低EMI的影响。

   当Icontrol恒定时，NCP1653工作在跟随型升压方式。

在式（13）中，如果Icontrol是恒定的，对于恒定负载或功率，变换器的输出电压正比于输入电压Vac的有效值，它意味着在输入电压Vac的有效值低时，输出电压Vout也比较低。

另一方面，在负载变重或功率变高时，输出电压Vout也变低，如图8所示。

图8PFC的跟随升压特性

   PFC的输出电压Vout的检测是作为反馈电流IFB流入器件的FB端的。

由于FB端电压VFB是远远小于Vout，它通常可以忽略。

式中：

RFB是一个接在FB端和Vout的反馈电阻，如图2所示。

   这样反馈电流IFB代表着输出电压Vout，用来调节输出电压，并实现过压保护及欠压保护。

反馈电流IFB与输出电压Vout的关系，如图9的调整曲线所示。

图9中，基准电流Iref的典型值为200μA，Icontrol=Vcontrol/R1，关系如图7所示。

图9中三个线性区域为

（1）IFB<96%Iref；

（2）96%Iref

   （3）IFB>Iref。

   现分别讨论如下。

2.2.1区域

（1）IFB<96%Iref

   当IFB小于Iref的96%时，NCP1653工作在跟随升压模式，调节输出Vref在最大值。

Vcontral也变为最大值Vcontrol=Vcontr（olmax），它是一个常数。

式（13）变成式（15）。

   输出电压Vout调整在某一特定值。

它与输入电压Vac有效值的实际值及输出功率Pout相对应。

但是这个输出电压不是恒定的，它取决于Vac与Pout的不同数值。

跟随型升压式工作区域图如图10所示。

图10跟随升压区域

2.2.2区域

（2）96%Iref

   当IFB在96%~100%的Iref之间时，NCP1653工作在恒定输出电压状态，它很像跟随型的特性，但只有很窄的输出电压范围。

调节的输出Vreg随着IFB减少，从96%Iref到100%Iref。

它给出线性调节Vcontrol的关系如式（16）所列。

解式（13）及式（16），得

   根据式（17），输出电压Vout在输出小功率时变成RFBIref，它是工作在此区域中Vout的最大值。

因此它可以包括在输出功率减少时，输出电压增加，它很像跟随特性式（15）。

另一方面在式（17）中，输出电压Vout在输入电压Vac有效值非常高时也变为RFBIref，它也是这个区域的Vout的最大值。

因此，它还可以在输入电压有效值升高时，输出电压也升高的状态。

它很像另一种跟随升压特性，这个特性由图11说明。

图11恒压输出区域

2.2.3区域（3）IFB>Iref

   当IFB大于Iref时，NCP1653输出的占空比为0。

Vcontrol也变为0V。

调节的输出Vreg也变为0V，乘法器电压VM变成其最大值，且在t1时刻通常为0。

然后Vout减少到它的最小值Vin。

2.2.4工作条件

   NCP1653电路工作在下列条件之一。

（1）恒定的输出电压，输出电压调节在RFBIref的96%~100%，输出电压由式（16）给出，它很像先前的跟随升压。

（2）跟随升压型，输出电压调节在RFBIref的96%及Vcontrol=Vcontrol（max）=Iref/2=100μA。

输出电压由式（15）给出。

2.3输入电压和电流的检测

   输入电压的检测如图12所示。

NCP1653内部的电流镜偏置电压为4V。

可由式（9）来计算Ivac，外接电容Cvac用于保持In端（脚3）的电压。

这里Ivac电流表征了Vac的值，并将用于过功率限制及PFC占空比的调制。

图12输入电压检测

   In端内部接了一只9V的ESD齐纳二极管，Rvac的推荐值至少为938kΩ，可以使瞬时输入电压到400V，如式（18）所列。

   电感电流的检测方法如图13所示。

Rcs及Rs的选择由式（10）决定。

Is表征了电感电流IL在NCP1653中用于产生乘法器的输出电压VM，进行PFC占空比调制，过功率限制及过流保护。

传感电阻Rs还起到了限制开机冲击电流的作用。

图13电流检测

2.4NCP1653的保护功能

2.4.1软起动

   在Vcontr（ol脚2）电压为0时，器件无输出，接在此处一个电容Ccontrol就可以实现软起动功能。

2.4.2过压保护（OVP）

   当反馈电流IFB高过基准电流Iref的107%时，器件的驱动输出变为低电平。

电路在反馈电流重新变低时，自动地恢复工作。

   最大OVP阈值限制在230μA，对应最大的230μA×1.92MΩ=444V。

因此，通常推荐用450V的输出电容。

2.4.3欠压保护（UVP）

   当反馈电流IFB少于基准电流8%Iref时，器件关闭。

此时器件消耗的电流少于50μA，在输出电压超过正常调整水平12%时，器件自动地恢复工作。

升压式变换器在正常条件下，输出电压Vout总是大于输入电压Vin的。

因此，反馈电流也总是大于使NCP1653正常工作值的8%~12%。

其工作特性如图14所示。

图14欠压保护

2.4.4过流保护（OCP）

   过流保护在Is大于Is（ocp（）200μA）时发生。

CS端（脚4）的失调电压典型为10mV，计算时可以忽略。

这样最大电感电流阈值IL（ocp）由式（19）得到

   当达到此过流保护阈值时，器件的驱动输出Drv端（脚7）为低电平。

当电感电流降至阈值以下，器件自动地恢复工作。

2.4.5过功率限制（OPL）

   检测电流Is表示着电感电流IL，因而表示了近似的输入电流，输入电流Ivac代表输入电压有效值Vac，因而也代表输入电压，它们的乘积（IsIvac）表示近似的输入功率（ILVac）。

   当乘积（IsIvac）大于容许的水平3nA2，则图5所示的调节器的输出电压Vref被拉到0V，它使Vcontrol间接也达到0V，而Vm则达到最大值。

它产生最小占空比或没有占空比，此时，输入功率被限制住，如图15所示。

图15过功率限制OPL

2.4.6Vcc欠压锁定

   器件典型开始工作的电压为超过13.25V，而在Vcc低于8.7V以下时关断，一个18V内部ESD齐纳二极管接到Vcc端（脚8）以防止超过规定值，起动以后，工作范围在8.7~18V之间。

3NCP1653的应用

   由NCP1653实现的300W恒定输出电压的PFC电路如图16所示。

图16300W恒定输出电压的PFC电路

   图16电路的输出功率为300W，输入电压适用范围：

AC90~265V，输出电压385V，开关频率100kHz。

   输入电压AC90V时，相关波形如图17所示。

Vac=90V,Pin=326.5W,Vout=365V,

Iout=822mA,PF=0.999,THD=4%

图17AC90V输入时袁电路的相关波形

   输入电压AC220V时，相关波形如图18所示。

Vac=220V,Pin=325W,Vout=384V,

Iout=8142mA,PF=0.989,THD=8%

图18AC220V输入时袁电路的相关波形

4结语

   最新推出的固定工作频率连续电流型PFC控制器NCP1653，为PFC电路提供了性能优良、保护齐全的控制功能。

而它的跟随型升压方式，为宽输入电压范围在不同输入电压条件下的电路优化，提供了保证。

作者简介

   李龙文，男，教授级高工，中国电源学会常务理事，中国电源学会元器件专委会主任委员。

曾任北京半导体五厂总工程师。

从事电源IC的设计与研发，现任某电源公司研发经理及顾问。