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onsemi.cn 安森美半导体低待机能耗电源方案

2 电源设计人员面临的挑战 ? 更高的能效目标 C 设计不再仅须顾及满载能效 C 可能需要评估10%、20%、50%及75%负载等条件下的能效 ? 新的电源可能更易于滋生可听噪声 C 纤薄变压器及低厚度外壳(一体式计算机/平板电视) C 谐振转换器要求功率因数校正(PFC)电路一直导通,而无论处于何种负载等级 C 轻载工作可能导致临界导电模式(CrM) PFC进入突发模式/跳周期模式 ? 须增强可靠性及安全性 C 采用分立输入欠压感测,避免升压电源段过载 C 增加额外保护电路,提供更全面的故障处理 C 将尺寸过大之元器件需求减至最小,应对故障条件 ? 加快上市进程,包括缩短安全认证时间

3 安森美半导体PFC产品阵容及后续产品 MC33368 MC33260 MC33262 NCP1607 NCP1608 NCP1611 NCP1611 NCP1612* - 提供PFC OK信号 及独立大电压欠压感测 NCP1650 NCP1653 NCP1654 NCP1652A NCP1605 功率因数控制器 功率因数控制器 可变频率 可变频率 固定频率 固定频率 连续导电模式 (CCM) 连续导电模式 (CCM) 带高压 启动电路 带高压 启动电路 不带高压 启动电路 不带高压 启动电路 不带高压 启动电路 不带高压 启动电路 带高压 启动电路 带高压 启动电路 不连续导电模式 (DCM) 不连续导电模式 (DCM) 不带高压 启动电路 不带高压 启动电路 单段式 PFC 单段式 PFC 带高压 启动电路 带高压 启动电路 交错式 PFC 交错式 PFC 不带高压 启动电路 不带高压 启动电路 NCP1631 正待批专利 的专有电流控制频率反走(Current Controlled Frequency Foldback, CCFF)控制原 理结合了节能与故障条件安全处理. * 2012年1月上市

4 The NCP1611 is a robust feature-rich Current Control Frequency Foldback (CCFF) PFC controller optimized to achieve high efficiency across a broad range of load while offering a complete suite of system level safety protection. § CrM w/current controlled frequency foldback § Skip mode § Saturated inductor and bypass/boost diode short protection § Optimizes efficiency across load range § Better light load efficiency § Very robust safety characteristics § Fast load transient behavior § Output over and under-voltage protection § Maximum Vcc of

35 V with internal 14V Gate Clamp § OCP, UVLO, brown-out protection § Soft-Start for smooth start-up operation (A version) § Robust open and short pin protection (see table) § Thermal shutdown § Large Flat TVs § Computer Power Supplies § High Power Adapters § LED Lighting and Ballasts § PFC Applications <

300 W § NCP1611ADR2G: SOIC8 10.5-V VCC Startup § NCP1611BDR2G: SOIC8 17.0-V VCC Startup NCP1611 C 增强型PFC控制器 其它特性 订购及封装信息 市场及应用 Pb Control Pin Pin SHORT to GND Pin left OPEN Vcontrol

1 OFF - '

Static OVP'

Functional - low PF,loop bandwidth not set Vsense

2 OFF - Brownout OFF, non operational FFcontrol

3 OFF - Skip mode Normal operation but no frequency foldback CS/ZCD

4 OFF - Stops operation OFF - pullup up current source FB

8 OFF - UVP OFF -

250 nA pull down to low state 独特特性

5 NCP1611典型应用电路图 输入锻压检测 频率反走/跳周期控制 ? 能够轻易地关闭跳周期功能 环路补偿 零电流检测(ZCD)及电流感测(CS)功能以 低成本1N4148二极管结合在单个引脚上 两个版本: A C 启动电压10.5 Vdc(典型值),带软启动功能,用于平板电视等有辅助电源的应用 B C 启动电压更高,为17 Vdc(典型值),带正常启动功能,用于能使用较小Vcc电容的自启动应用 输出反馈感测

6 理解电流控制频率反走(CCFF)架构 ? 定时器仅控制死区时间 ? 定时器对应电流电平调节死区时间 ? 反走频率限制为>

20 kHz ? 正待批专利的架构提供市场上领先的性能 * 正待批专利之架构 大电流 无延迟 è CrM 小电流 下一个周期无延迟 更小电流 更长死区时间 定时器延迟 定时器延时 è CrM

7 CCFF架构详解 ? 固定导通时间控制,带频率反走 ? 大电流时,电路以临界导电模式(CrM)工作 ? 小电流时(重负载时接近线路过零点,轻载时位于全部正弦方波): C 磁芯复位后下一个周期并不会立即启动 C 相反,定时器开始调节死区时间 C 电流越小,定时器持续时间(死区时间)越长 C 定时器持续时间取决于大小 C 定时器仅控制死区时间(不控制开关周期/关闭时间) ? 死区时间不受电流周期时长变化的影响,因此我们可以毫不犹 豫地进行谷底导通

8 ? 采用传统CrM/BCM (边界线控制)时: C 负载降低时,开关频率上升 C 极低负载时,控制器可能进入 跳周期模式 ,滋生可听噪声 ? 采用CCFF控制架构时: C 负载降低时,开关频率降低,减小功率损耗 C 轻载时,控制器可以在高于可听噪声频段的较低频率处钳位 C 极低负载时采用跳周期模式工作(可以轻易关闭) ? 谷底导通进一步提升能效,减小电磁干扰(EMI) CCFF控制架构提升能效

9 230 V、满载时的一般特性 VIN VLINE VR3 DRV q VR3是电流感测电阻R3的电压信号 q 我们将放大A点、B点及C点处的波形 A B C

10 放大正弦波顶部(A点) VDS VLINE VR3 DRV q 在正弦波顶部,电路以临界导电模式(CrM)工作 q MOSFET在谷底导通 A

11 放大电压电平中间点 VDS VLINE VR3 DRV q 线路电压下降时,线路电流下降 q NCP1611降低开关频率 q MOSFET仍在谷底导通 B

12 放大临近线路过零点处 VDS VLINE VR3 DRV q 接近线路过零点时,线路电流极小 q NCP1611进一步降低开关频率 q MOSFET仍在谷底导通 C

13 演示板能效性能

85 86

87 88

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91 92

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99 100

0 10

20 30

40 50

60 70

80 90

100 E f f i c i e n c y ( % ) Relative Output Power (%) CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Vin=

230 Vac, Pout(max) =

160 W

85 86

87 88

89 90

91 92

93 94

95 96

97 98

99 100

0 10

20 30

40 50

60 70

80 90

100 E f f i c i e n c y ( % ) Relative Output Power (%) CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Vin=

115 Vac, Pout(max) =

160 W q 通过在FF控制引脚增加直流偏置,我们可以比较不同模式下的工作 q0.9 V偏置关闭跳周期模式 q2.5 V偏置迫使NCP1611在传统CrM模式下工作 q CCFF相较于CrM大幅提升轻载能效 q230 Vac、20%负载时高出约5.5%,@115 Vac、10%负载时高出约 7%

14 0

10 20

30 40

50 60

70 80

90 100 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% T o t a l H a r m o n i c D i s t r o r t i o n ( % ) Relative Output Power (W) CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Vin=

115 Vac, Pout(max) =

160 W

0 10

20 30

40 50

60 70

80 90

100 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% T o t a l H a r m o n i c D i s t o r t i o n ( % ) Relative Output Load (%) CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Mode Vin=

230 Vac, Pout(max) =

160 W 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% P o w e r F a c t o r ( P F ) Relative Output Power (%) CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Vin=

115 Vac, Pout(max) =

160 W 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% P o w e r F a c t o r ( P F ) Relative Output Power (%) CCFF with Skip CCFF with Skip Off CRM Vin=

230 Vac, Pout(max) =

160 W 功率因数(PF)及总谐波失真(THD)性能

15 ? 性能 C 动态响应增强器用于提供快速的线路/负载瞬态响应 C 最高达35 V的宽Vcc范围,带门电压钳位功能 C 启动电流典型值20 ?A,最高50 ?A ? A版本 … Vcc启动电压10.5 V ? B版本 … Vcc启动电压17 V C 线路范围检测功能调节及优化环路增益 C A版本提供软启动功能/B版本能使用较小Vcc电容,易于启动 C 谷底导通功能利于提供最佳能效及产生极低电磁干扰(EMI) ? 安全性 C Vcc欠压锁定(UVLO)及线路输入欠压(BO)保护 C 在电感饱和或旁路二极管短路条件下提供过流保护(OCP) C 输出过压保护(软OVP及快速OVP)及欠压保护(UVP) C 反馈开路关闭及接地开路故障监控 C 过热关闭 关键特性

16 NCP1611稳压工作 * -3.2%/+1.6% from C

40 to +

125 ?C

17 PFC控制器 Note: NCP1612 Available January

2012 NCP1608 NCP1611 NCP1612 Benefit Fast Overvoltage Protection (F-OVP) o o o Undervoltage Protection o o o Soft OVP o o Improved transient response when load is reduced Dynamic Response Enhancer o o Dramatically improved transient response Bulk Undervoltage Protection (BUV) o Informs downstream controller when Bulk is too low Independent Sensing of FOVP &

BUV o Enhanced Fault Protection Cycle-by-cycle Over Current Protection o o o Fault Protection Shorted Boost or Bypass Diode o o System Robustness, Safety Testing Saturated Inductor Detection o o Fault Protection Vcc - UVLO o o o Ensures proper operation of controller UVLO Gate Driver Pulldown o o o Ensures FET is off during turn on and turn off Line Range Gain Selection o o Optimizes control loop for wide mains applications AC Line Brownout o o Improves system robustness to line faults FB o o o CS/ZCD o o GND o o FOVP/BUV o Disable o o o Simplifies PFC ON/OFF Sequencing Soft Start A Version A Version Reduced component stress at startup High Vcc Startup Threshold/Low Icc B Version B Version Reduces Vcc capacitor size &

startup time Skip Mode Disable o o Eliminates audible noise, improves THD &

PF at light load Thermal Shutdown o o Enhanced Fault Protection PFC Okay o Sequencing control for downstream converter Latch Input o Enhanced fault control, easy to implement thermal latchoff Simplifies safety testing Protects supply under abnormal operation Monitoring Control Open Pin Protection Protection and Control Features Bulk Sensing Current Sense

18 NCP1611特性详解 线路电压突降 (90至70 Vac) Vaux VBULK VCONTROL Line Current (2 A/div)

50 -ms blanking time VCONTROL gradual decrease 输入欠压检测,提供 软 停止

19 轻易解决开路及短路引脚故障,提升安全性 即使在接地引脚开路的条件下此元件也受到保护!!! Control Pin Pin SHORT to GND Pin left OPEN Vcontrol

1 OFF - '

Static OVP'

Functional - low PF,loop bandwidth not set Vsense

2 OFF - Brownout OFF, non operational FFcontrol

3 OFF - Skip mode Normal operation but no frequency foldback CS/ZCD

4 OFF - Stops operation OFF - pullup up current source FB

8 OFF - UVP OFF -

250 nA pull down to low state

20 NCP1611相关资源 ? 提供下列资源,帮助简化评估及设计流程: C 工程样品 C NCP1611GEVB C

160 W演示电路板,配有: ? 电路图及物料单(BOM) ? Gerber文件 C 详细评估板小册子 C 安全评估应用注释 C 逐步设计指引 C NCP1611 Excel?设计工具 <

13 mm高度

21 NCP1611 PFC控制器小结 ? 新颖及正待批专利的控制技术 C 电流控制频率反走(CCFF) C 临界导电模式(CrM)/不连续导电模式(DCM)工作,带谷底开关 C 宽工作电源范围下提供极佳能效 C 宽负载范围下提供高功率因数及良好的总谐波失真(THD)性能 ? 相较于标准CrM PFC控制器的性能提升 C 更高的故障处理能力 C 更佳的瞬态响应 C 灵活支持不同偏置情形 ? 专门针对平板电视、电源适配器、高能效计算机电源及LED驱动 器电源进行了优化

22 谢谢! 若有疑问,敬请提出! ........