中心議題：

• 高性能CCMPFC及LLC組合控制器的優(yōu)勢對比
• 了解LLC段和PFC段的一些特性

解決方案：

• 使用NCP1910進(jìn)行簡便的設(shè)計
• 學(xué)習(xí)PFC段和LLC段設(shè)計方法

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計算機(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符合最新能效要求。本文將介紹應(yīng)用于計算機(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。

現(xiàn)有方案及存在的問題

用于上述電源設(shè)計的現(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。如果能在一個單芯片中結(jié)合所有功能，實現(xiàn)一種組合控制器就可以使這些問題迎刃而解。

高性能CCMPFC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，集成了這兩個轉(zhuǎn)換器所需的全部信號交換(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。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：
--過壓保護(hù)可自動恢復(fù)OVP閾值(穩(wěn)壓電平的105%)；
--動態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器可在Vbulk降至低于其穩(wěn)壓電平的95%時，使用其內(nèi)部200µA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VbulkOVP；
•可調(diào)節(jié)線路輸入欠壓帶50ms消隱時間(blanktime)，避免在低輸入電壓時受損；
•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；
•圖騰柱(TotemPole)驅(qū)動能力為±1.0A門驅(qū)動器。
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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)時間為300ns，可避免shot-through；
•在軟啟動或重啟時，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，SS引腳給CSS放電，并提供純粹的軟啟動；
•高壓驅(qū)動器門驅(qū)動器為+0.5A-1.0A；
•雙故障保護(hù)電平位于CS/FF引腳：
--CS/FF>1V：LLC轉(zhuǎn)換器立即通過將CSS接地來增加開關(guān)頻率。這是一種自動恢復(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，LLC驅(qū)動器進(jìn)入跳周期模式，降低頻率，提升輕載能效。

簡便的設(shè)計方法

使用NCP1910進(jìn)行設(shè)計過程非常簡單，只要三步即可完成，如圖2所示。第一步是設(shè)計PFC段，第二步是設(shè)計LLC段，第三步是設(shè)計信號交換部分。 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Vbulk電平(如300V，取決于電源系統(tǒng)的設(shè)計要求)時使LLC停止工作；PG電平在Vbulk電平時，器件通知次級端監(jiān)控電路，產(chǎn)生功率故障(PowerFail)信號；在PFC頻率反走輸入功率級時，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；一旦PFC就緒，就會開始一段20ms的延遲；延遲結(jié)束后PGout引腳假定為低電平，LLC可以開始工作。在撥除交流輸入關(guān)閉電源時Vbulk降低，到達(dá)PG信號時，PGout引腳被釋放(開路)；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端監(jiān)控芯片由光耦控制的導(dǎo)通/關(guān)閉(on/off)信號；在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳被釋放開路時，PFC及LLC均停止工作；在導(dǎo)通/關(guān)閉引腳接地時，PFC開始軟啟動→PFCok→20ms后，LLC開始軟啟動。
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熱關(guān)閉(TSD)：過熱保護(hù)功能有助于實現(xiàn)良好的電源設(shè)計。當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過140℃時，該功能激活，驅(qū)動器變?yōu)榈碗娖?；結(jié)點(diǎn)溫度降到典型值30℃時器件恢復(fù)工作。
頻率反走：可以提高輕載效率，設(shè)定Vfold以確定功率開始反走的Vfold值；當(dāng)(VCTRL –VCTRL(min))小于Vfold時，頻率開始反走；內(nèi)部鉗位限制反走的最大功率；啟動時無反走。
VCTRL與功率及頻率的關(guān)系：當(dāng)輸出功率下降時，VCTRL隨之下降；當(dāng)?shù)竭_(dá)反走設(shè)定點(diǎn)時，頻率線性下降；65kHz版本將最小頻率內(nèi)部設(shè)定為40kHz。 [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，感測到低線路電壓時，50ms定時器就會激活。這段消隱時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)束時仍處于低電平，輸入欠壓保護(hù)就被觸發(fā)，PFC驅(qū)動器關(guān)閉，VCTRL引腳接地，可使器件在故障消失時使用軟啟動。
2.快速瞬態(tài)響應(yīng)/過壓保護(hù)(OVP)：當(dāng)VFB>105%VPREF時，過壓保護(hù)激活，驅(qū)動器輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)VFB低于103.2%VPREF時，器件自動恢復(fù)工作。 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20µs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，PFC及LLC均關(guān)閉。PFCok信號假定為低電平時，PGout被釋放開路，使LLC停止工作。 4.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PFC驅(qū)動器電阻損毀的情況。實現(xiàn)PFC異常檢測保護(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，且時間長于1秒(tPFCabnormal)，則PFCok內(nèi)部信號下降，PGout引腳立即釋放開路，通知系統(tǒng)電源將關(guān)閉；5ms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。當(dāng)VFB<8%VPREF=0.2V時，UVP激活，器件關(guān)閉；當(dāng)VFB高于12%VPREF=0.3V時，器件自動開始工作。 6.PowerBoost：PFCPowerBoost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(如滿載時從264Vac劇降至90Vac)時，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，VLBO可下拉至2V(VLBO(PD))：VLBO高于2V(高線路電壓時)，以及VCTRL處于最大值的時間長于4ms(tPFCflag)；Vbulk低于額定輸出的95%時。PFCPowerBoost功能在啟動時被禁止；最長下拉持續(xù)時間的典型值為5ms(tLBO(PDlimit))；在后續(xù)最少70ms時間(tLBO(PDblank))內(nèi)，開關(guān)保持在開路狀態(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啟動頻率；RSS和CSS決定軟啟動持續(xù)時間。Rt引腳控制LLC
2.完整軟啟動：SS引腳接地條件是：啟動，或CS/FF高于VCS1(1V)，或BO激活，或tDEL2結(jié)束。僅在VSS低于VSS(RST)時，SS引腳上的開關(guān)被釋放開路，執(zhí)行從啟動(重啟)開始的完整軟啟動。 3.跳周期模式(僅B版本提供)：跳周期模式在輕載時可削減LLC輸出脈沖，從而避免任何頻率失控(runaway)，改善待機(jī)能耗。

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為了幫助設(shè)計，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。 總結(jié)

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，可以為臺式個人計算機(jī)、平板電視提供高能效、高性能的電源設(shè)計。