- 高性能CCMPFC及LLC組合控制器的優(yōu)勢(shì)對(duì)比
- 了解LLC段和PFC段的一些特性
- 使用NCP1910進(jìn)行簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)
- 學(xué)習(xí)PFC段和LLC段設(shè)計(jì)方法
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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)備必須在滿足高性能的同時(shí)符合最新能效要求。本文將介紹應(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CCMPFC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。
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,100kHz、133kHz及200kHz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200µA電流源來(lái)加快穩(wěn)壓環(huán)路速度;
•冗余OVP(OVP2)使用專用引腳來(lái)閂鎖VbulkOVP;
•可調(diào)節(jié)線路輸入欠壓帶50ms消隱時(shí)間(blanktime),避免在低輸入電壓時(shí)受損;
•Vin2前饋可優(yōu)化功率因數(shù);
•PowerBoost可在極端線路瞬態(tài)條件下調(diào)節(jié)Vbulk(如264Vac→90Vac);
•可調(diào)節(jié)頻率反走提升輕載能效;
•軟啟動(dòng);
•圖騰柱(TotemPole)驅(qū)動(dòng)能力為±1.0A門驅(qū)動(dòng)器。
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LLC段具有以下一些特性:
•25kHz至500kHz的寬工作頻率范圍;
•板上固定死區(qū)時(shí)間為300ns,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CSS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+0.5A-1.0A;
•雙故障保護(hù)電平位于CS/FF引腳:
--CS/FF>1V: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>1.5V:當(dāng)故障嚴(yán)重并使CS/FF高于1.5V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0.4V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。
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20ms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5ms后停止工作。
遠(yuǎn)程導(dǎo)通/關(guān)閉:以專用引腳接收由次級(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→20ms后,LLC開(kāi)始軟啟動(dòng)。
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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)榈碗娖剑唤Y(jié)點(diǎn)溫度降到典型值30℃時(shí)器件恢復(fù)工作。
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
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),50ms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50ms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)。
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=0.2V時(shí),UVP激活,器件關(guān)閉;當(dāng)VFB高于12%VPREF=0.3V時(shí),器件自動(dòng)開(kāi)始工作。
在下列情況時(shí),VLBO可下拉至2V(VLBO(PD)):VLBO高于2V(高線路電壓時(shí)),以及VCTRL處于最大值的時(shí)間長(zhǎng)于4ms(tPFCflag);Vbulk低于額定輸出的95%時(shí)。PFCPowerBoost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5ms(tLBO(PDlimit));在后續(xù)最少70ms時(shí)間(tLBO(PDblank))內(nèi),開(kāi)關(guān)保持在開(kāi)路狀態(tài)。
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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
2.完整軟啟動(dòng):SS引腳接地條件是:?jiǎn)?dòng),或CS/FF高于VCS1(1V),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)。
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為了幫助設(shè)計(jì),半導(dǎo)體廠商還提供演示電路板(原型板),其輸入電壓為90v-265vac,輸出為12V/25A,5V/2A(用于待機(jī))。
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。
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)。