計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及平板電視向來是能效規(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)有方案及存在的問題用于上述電源設(shè)計(jì)的現(xiàn)有方案存在的最大問題是元器件數(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，以及用于感測的額外電路也必不可少。此外，為了實(shí)現(xiàn)次級端過壓保護(hù)(OVP)，需要可控硅整流器(SCR)、比較器及感測電路；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題迎刃而解。高性能CCM PFC及LLC組合控制器的優(yōu)勢安森美半導(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；可編程過流閾值提供優(yōu)化的感測電阻；過功率限制可根據(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V_bulk穩(wěn)壓：
--過壓保護(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V_bulk降至低于其穩(wěn)壓電平的95%時(shí)，使用其內(nèi)部200 µA電流源來加快穩(wěn)壓環(huán)路速度；冗余OVP(OVP2)使用專用引腳來閂鎖V_bulk 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；V_in²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)V_bulk(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門驅(qū)動(dòng)器。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C_SS放電，并提供純粹的軟啟動(dòng)；高壓驅(qū)動(dòng)器門驅(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)換器立即通過將C_SS接地來增加開關(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V_bulk的一部分，不需要高壓感測軌，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。簡便的設(shè)計(jì)方法使用NCP1910進(jìn)行設(shè)計(jì)過程非常簡單，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。電路中的BO及PG電平是由R1、R2、R3決定的，無須感測高壓。BO電平在V_bulk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V_bulk電平時(shí)，器件通知次級端監(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時(shí)，PFC開始降低工作頻率。以下是PFC段和/或LLC段運(yùn)用熱關(guān)閉及過流、過壓、欠壓、過功率、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可以開始工作。在撥除交流輸入關(guān)閉電源時(shí)V_bulk降低，到達(dá)PG信號(hào)時(shí)，PGout引腳被釋放(開路)；如果V_bulk到達(dá)LLC停止電平，LLC停止工作；或者如果V_bulk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：以專用引腳接收由次級端監(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開始軟啟動(dòng)→PFCok→20 ms后，LLC開始軟啟動(dòng)。圖4：遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉熱關(guān)閉(TSD)：過熱保護(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V_fold以確定功率開始反走的V_fold值；當(dāng)(V_CTRL – V_CTRL(min))小于V_fold時(shí)，頻率開始反走；內(nèi)部鉗位限制反走的最大功率；啟動(dòng)時(shí)無反走。圖6：頻率反走V_CTRL與功率及頻率的關(guān)系：當(dāng)輸出功率下降時(shí)，V_CTRL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：V_CTRL與功率及頻率的關(guān)系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，V_CTRL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)/過壓保護(hù)(OVP)：當(dāng)V_FB > 105% V_PREF時(shí)，過壓保護(hù)激活，驅(qū)動(dòng)器輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)V_FB低于103.2% V_PREF時(shí)，器件自動(dòng)恢復(fù)工作。圖9：PFC-快速瞬態(tài)響應(yīng)/過壓保護(hù)3. 冗余OVP(閂鎖)：專用OVP2引腳用來保護(hù)大電容；電路中內(nèi)置的20 µs濾波器用來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被釋放開路，使LLC停止工作。圖10：PFC-冗余OVP4. PFC異常檢測：PFC異常檢測的目的在于，如果PFC沒有正常工作，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異常檢測保護(hù)的方法是：如果V_CTRL保持在最高電平或低于最低電平，如V_CTRL引腳異常短路，且時(shí)間長于1秒(t_PFCabnormal)，則PFCok內(nèi)部信號(hào)下降，PGout引腳立即釋放開路，通知系統(tǒng)電源將關(guān)閉；5 ms后LLC停止工作(t_DEL2)。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)V_FB < 8% V_PREF = 0.2 V時(shí)，UVP激活，器件關(guān)閉；當(dāng)V_FB高于12% V_PREF = 0.3 V時(shí)，器件自動(dòng)開始工作。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(如滿載時(shí)從264 Vac劇降至90 Vac)時(shí)，限制輸出功率，防止V_bulk將大幅下降，可能使V_out超出穩(wěn)壓范圍。V_LBO是V_ac的平均值。在下列情況時(shí)，V_LBO可下拉至2 V(V_LBO(PD))：V_LBO高于2 V(高線路電壓時(shí))，以及V_CTRL處于最大值的時(shí)間長于4 ms(t_PFCflag)；V_bulk低于額定輸出的95%時(shí)。PFC Power Boost功能在啟動(dòng)時(shí)被禁止；最長下拉持續(xù)時(shí)間的典型值為5 ms(t_LBO(PDlimit))；在后續(xù)最少70 ms時(shí)間(t_LBO(PDblank))內(nèi)，開關(guān)保持在開路狀態(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F_max、F_min及F_SS：R_min決定LLC最小頻率；R_min // R_max決定LLC最大頻率；R_min // R_SS決定LLC啟動(dòng)頻率；R_SS和C_SS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：啟動(dòng)，或CS/FF高于V_CS1(1 V)，或BO激活，或t_DEL2結(jié)束。僅在V_SS低于V_SS(RST)時(shí)，SS引腳上的開關(guān)被釋放開路，執(zhí)行從啟動(dòng)(重啟)開始的完整軟啟動(dòng)。圖13：完整軟啟動(dòng)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：演示電路板能效測試結(jié)果表明，該演示電路板的能效等級目標(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)。