初级侧PFC与谐振半桥LLC组合的控制器--NCP1901.doc

初级侧PFC与谐振半桥LLC组合的控制器-NCP1901将PFC与谐振半桥组合设计高档适配器电源是一种新思维，它能在保证功率因数校正的情况下实现最高转换效率。其PFC部分采用CRM方式，半桥为LLC谐振方式，具有高压驱动，使电源外部元件很少，同时有600V高压起动源，由NCP1901组成的适配器电路如图1，NCP1901内部方框电路如图2，其主要功能特色如下：可调半桥频率到75KHZ。反馈开环保护。PFC欠压，过压保护。半桥部分具有高压驱动能力。PFC反馈端的使能和禁止。内含高压起动电路，可以合适的顺序起动或故障时的保护。 图1 NCP1901组成的90W适配器电路 图2 NCP1901的内部方框电路NCP1901主要用于功率的适配器，其16PIN功能如下：1PINHV，高压起动源端子，直接接到BULK电容高压。此端以一个恒流源给VCC端电容供电，消除了对外部起动电阻的需要，典型充电电流为7.5mA。2PINOSC，外部接一只电容调节内部振荡器的频率，此振荡器设置半桥部分的频率。3PINGND，IC的模拟地。4PINVREF，基准电压，外接一只瓷介电容去耦，接至GND。5PINPFB，PFC部分电压反馈输入端，此端电压为2.5V，用于稳定PFC部分电压。6PINPCS，PFC部分电流检测输入端，一个电压斜波正比于PFC开关电流，其加到此端，电流检测阈值为0.84V，在每个周期开始时有110nS的前沿消隐滤波器。7PINPZCD，PFC电感的零电流检测端，用一个辅助线圈监测电感电流，PFC驱动信号在PZCD端从高电平到低电平时使能，检测电阻限制进入PZCD端的电流。8PINPCONTROL，PFC控制电压，此端接到PFC误差放大器的输出，误差放大器为跨导放大器，外部一个补偿网络接于此端到GND之间来设置PFC环路带宽，PFC控制电压与Vpct移动电平比较来控制PFC部分的占空比。9PINPCT，PFC的导通时间控制电容，270A电流源给其充电，此电容接于此端和GND之间，一旦PCT电压达到Vpcontrol，则PFC驱动信号被禁止，然后PCT电容放电。10PINVCC，IC供电电压端，此端外部接一支电容储能供电，内部电流源从HV到此端为其充电，VCC电压达到VCCon（15.3V）电流源即关断，控制IC使能。当VCC降到VCCoff（9.3V）时，电流源再次开启。正常工作时IC端从辅助绕组供电。11PINPGND，IC功率地，为PDRV和HDRV设计。12PINPDRV，PFC部分栅驱动控制信号输出端，源出漏入能力限制在60和15，外部也可以再接MOS驱动器。13PINHDRVlo，半桥低边开关驱动信号输出端，源出漏入能力限制在75和15，外部也可以再接MOS驱动器。14PINHVS，半桥的高边驱动器源极结点，直接接到桥路结点。15PINHDRVhi，半桥高边开关驱动信号输出端，源出漏入能力限制在75和15。16PINHBOOST，高边栅驱动器供电端，外部接二极管于VCC和HBOOST端提供充电通路，充电电压为VCC-VF。下面介绍NCP1901起动供电顺序PFC控制器在VCC达到VCCon时起动使能，PFB电压超过Vovp290mV，一旦PFC控制器使能，Pcontrol端即开始充电，当电压超过VEA（OL）时，第一个PFC驱动脉冲即被监控，半桥驱动器随之使能，然后监视输出电压随输出电压上升，直到半桥级稳压。控制器在VCC降到VCC（min）以下，PFB在Vuvp（high）以上时将不再开始动作，这就保证了有足够的时间在VCC降到VCC（off）以前去起动控制器。 * 输出电压的调节半桥级工作在固定频率下，输出电压的调节用调整半桥输入电压（PFC输出电压）的方法实现，PFC输出电压的检测用一个电阻分压器，电阻分压器的结点接到PFB端，反馈电阻分压器的分电流增加，则PFC输出电压最后达到目标稳定值。 * 高压起动电路NCP1901内部的高压起动电路，消除了对外部起动元件的需要。此外，它提高了整个电源的效率。在进入正常模式工作后它关断，没有电流消耗，然后IC由辅助绕组整流滤波供电，起动调节器由电流源由高压线路（Vin）供电到Vcc端电容（Ccc），起动电流为7.5mA，允许最高电压为600V。一旦Vcc充电到15.3V，起动调节器即被禁止。PFC控制器在PFB端电压达到Vpuvp以上时使能，起动调节器被禁止直到低过供电阈值Vcc（off）（9.3V），到此时驱动输出被禁止，起动电流源又使能。供电电容提供的功率供给控制器，必须在Vcc（off）以上时才能保持正常工作，Ccc必须足够能令Vcc电压高于Vcc（off），直到辅助源电压建立起来。若是Vcc降下来控制器将关断，IC供电电流必须能保证三个输出驱动所需，由（1）式决定。 Icc（gate change）=fQg （1）此处，f为工作频率，Qg为所选MOSFET的栅电荷。 * 主振荡器振荡器频率由振荡器电容Cosc（osc端）设置，振荡器工作在固定80%的占空比之下，电流源充电给Cosc到其峰值5V电压，一旦达到此电压，Cosc即放电到3V，充放电电流分别为173和692A，其关系曲线如图3。 图3 振荡频率和设置电容Ct的关系 图4 CrM模式中的电感电流一个内部时钟信号产生去控制半桥控制器半桥占空比为50%，PFC则为CRM变频方式。 * 电压基准一个内部电压基准VREF，其带出控制器使之容易补偿，基准电压为7V，需用0.1F电容旁路增加稳定性，其外部不能加载。 *PFC调节器PFC级工作在临界导通模式（CRM），在CRM方式中PFC的电感电流IL在开关周期结束时达到0，如图4，其平均输入电流Iin（t）随AC电压改变。高功率因数的实现（CRM），用保持恒定导通时间的方式实现给出RMS输入电压及负载条件。（2）式给出导通时间的表达式。 （2）此处，Pout为输出功率，L为PFC电感感量，为效率。 *导通时间控制NCP1901控制导通时间系用给外部PCT端定时电容CT充电来控制，用一个恒流源Ipct为其充电，CT电压斜波与控制电压相比较，控制电压Vpcontrol是恒定的，由RMS线路电压和负载给定。在（2）式中一个电压失调VPCT（offset）加到CT斜波上来达到控制电压的范围方框电路如图5。Pcontrol电压在内部箝制在2.25V到5.65V之间，当失调电压大于Pcontrol最小值时，Pcontrol箝制电压加到CT斜波之前去比较控制电压信号，这允许PFC级停止驱动脉冲（0占空比），此时调节空载轻载电压，在Pcontrol电压之间的V需要产生PDRV脉冲及最小的Pcontrol箝制电压为VPCT（offset）。 图5 导通时间控制电路一旦CT斜波电压加上失调达到Vpcontrol，定时电容放电为低电平。一旦CT电压达到它的峰值阈值PFC驱动脉冲终止。一旦电感电流达到零被子ZCD端检测出来，一个新的周期开始，或者最大失调达到时，新周期也开始。定时电容的大小由CT斜波峰值电压在低AC线路及满载时达到，在此工作模式Vpcontrol为最大，（3）式用于计算CT值给出的导通时间。 （3）在（2）式中的Ton，用（3）式及（4）式提供CT最大值 （4）此处，VPCT（max）为最大PCT电压，典型为3.0V。 * 关断时间控制PFC关断时间随着AC线路电压的变化而改变，它在每个周期的调节允许电感电流在下个开关周期开始之前达到零。一旦电流达到零，电感即去磁。一旦电感去磁，PFC开关的驱动电压即开始下降，电感去磁由检测电感辅助绕组的电压来进行，称为过零检测绕组（ZCD），该绕组提供合适的电感电压，图6示出ZCD绕组的安排。当PFC的开关导通时，一个负载电压出现在ZCD线圈上。在PFC开关关断，电流流过电感时PZCD电压是正向的。当电感去磁时PZCD电压降到在零处的振铃出现，一旦在PZCD端检测出负向传输，即开始下一次开关命令，一个正向传输解除ZCD检测去防止虚假的触发，ZCD检测的解除典型为2.1V。触发则为1.5V。PZCD端在内部用一支齐纳管箝在10V，一支电阻与ZCD串联用来限制电流进入到ZCD端，齐纳二极管防止电压超出10V或降到地电平以下，图7示出典型的ZCD波形。在起动期间，没有ZCD传输去使能PFC的开关，一个看门狗时段去使能PFC控制器，如果没有开关脉冲被检测达到180S，则看门狗开始使用，此时工作在轻载下，跨过ZCD阈值的ZCD信号的幅度可能非常小。看门狗时段在PFC驱动脉冲开始后以及PFC欠压故障时启用。 图6 ZCD绕组的放置位置 图7 ZCD 绕组的工作波形 * PFC补偿一个跨导型误差放大器，调节PFC的输出电压VPFC，它用比较PFC反馈信号与内部2.5V电压基准的方法，如图8，从PFC输出电压加到R1，R2电阻分压器产生PFC的反馈信号。 图8 PFC部分的反馈电路反馈信号加到放大器的反相输入端，内部2.5V基准加到放大器的同相输入端，在制造中基准电压精度为3.2%。图5示出PFC的误差放大器及检测网络，（5）式用来计算PFC反馈网络。 （5）跨导放大器有一个电压到电压到电流的增益gm，此外，输出电流由差分输入电压控制。NCP1901的放大器的gm典型为95S。Pcontrol端提供通路到放大器输出用于补偿，补偿网络参考地允许PFC反馈信号用来检测过压条件。Pcontrol端的补偿网络，选择一个滤波器去滤除BULK电压的纹波，以保证控制电压恒定，不受AC周期影响，在Pcontrol端与GND之间加一支电容来设置极点，在20HZ处足以滤除纹波电压，系统的低频极点fp用（6）式计算。 （6）此处，Cpcontrol为Pcontrol端到GND的电容。使用跨导放大器的关键特点是输入允许独立的移去相对于输出的变化。因为补偿电容是接到GND的，这允许反馈端的双重用途，既作误差放大器，又作过压比较器。 * PFC欠压如果PFB端开路，NCP1901可以安全地禁止控制器。如果PFB端电压低于Vpuvp(low) (0.23V)，一个欠压检测器去禁止控制器。如果PFB端悬浮，一个1.2uA的下拉电流源I pfb确保Vpfb降到Vpuvp(low)以下。PFB下拉电流源影响PFC输出电压的设置点。 * PFC过压过压检测器监视PFC反馈电压并在PFC输出电压大于正常值的5%时，禁止PFC驱动器，PFC驱动脉冲被压制，直到过压条件移去。过压检测器在整个工作温度下整个电压范围内偏差在2%以下。过压比较器有典型30mV的窗口。 * PFC过流PFC的电流监视系采用平均电流过流检测器，PCS端提供通路到过流检测器，如果PCS端上的电压超出过流阈值Vpcs（ILIM），PFC驱动脉冲即终止。这个比较采用逐个周期测量，过流阈值为0.84V。电流检测信号要防止前沿尖峰值。其由功率开关的传输导致，NCP1901有前沿消隐功能，在每次电流脉冲的第一个110nS处输出。 * PFC驱动器PFC驱动器源出和漏入阻抗典型为60和15，这取决于外部功率MOSFET的栅极充电需要，也可以外部再接驱动器去驱动MOSFET开关。如图9。 图9 外部驱动器电路 图10 半桥的高边驱动电路 * 半桥驱动器半桥级工作在50%占空比，振荡器频率分为两半加到半桥控制器。半桥控制器有低边驱动器HDRV-lo和一个600V的高边驱动器HDRV-hi。建起高边驱动消除了对外部驱动变压器的需要。在每个驱动传输中，消除了交叉导通的上升沿，延迟典型为785nS，典型占空比为48%。高边驱动器接于HBOOST和HVS端，如图10所示。升压电路加入D boost和C boost来产生高边驱动器，一旦HDRV-lo导通时，HVS端通过处部功率开关有效接到地，这使C boost充电到Vcc。一旦HDRV-lo关断，HVS浮动到高，D boost反向偏置，一个欠压检测器监视