Onsemi NCP1681：创新型图腾柱PFC控制器的技术解析

在电源设计领域，功率因数校正（PFC）技术对于提高电源效率和减少谐波失真至关重要。今天，我们来深入探讨Onsemi的NCP1681图腾柱PFC控制器，看看它是如何在这方面发挥出色性能的。

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一、NCP1681概述

NCP1681是一款创新的多模式（MM）和连续导通模式（CCM）功率因数校正（PFC）控制器IC，专为驱动无桥图腾柱PFC拓扑而设计。这种拓扑结构由两个图腾柱支路组成：一个以PWM开关频率快速开关的支路和一个以交流线路频率运行的支路。它消除了传统PFC电路输入处的二极管桥，显著提高了效率和功率密度。NCP1681有固定频率（NCP1681Ax）和多模式（NCP1681Bx）两种版本可供选择。

1. 一般特性

• 高效与紧凑设计：图腾柱PFC拓扑消除了输入二极管桥，实现了非常高的效率和紧凑的设计。
• 多种监测与保护功能：具备交流线路监测电路、交流相位检测、欠压检测、数字环路补偿等功能。
• 新颖的电流传感方案：提供电感电流上升和下降斜率传感，还有PFCOK指示灯。
• 优化轻载性能：具有跳过/待机模式，在所有运行模式下都能实现接近单位功率因数。
• 多模式运行：在重载条件下采用连续导通模式（CCM），在轻载和中载条件下采用临界导通模式（CrM），还可选择在整个负载范围内采用固定频率CCM。

2. 安全特性

• 过压保护：具备软和快速过压保护，有2级锁存输入用于过压保护（OVP）和过温保护（OTP）。
• 欠压保护：包括大容量欠压保护和内部热关断功能。
• 电流限制：采用逐周期电流限制，确保系统安全运行。

3. 应用领域

NCP1681适用于多种领域，如云/服务器电源、高性能计算、5G/电信电源、工业电源、超高密度（UHD）电源和商用电源等。

二、图腾柱PFC工作原理

1. 拓扑结构

图腾柱PFC电路由两个半桥配置组成，一个是“快速支路”，以PWM频率开关；另一个是“慢速支路”，以交流线路频率开关。快速支路开关起到传统升压PFC中开关和二极管的作用，调节输出电压并整形输入电流，以提供高功率因数和低谐波失真；慢速支路开关则起到传统升压PFC中二极管桥的作用，使用低导通电阻的有源开关代替二极管，提高了效率。

2. 正半周期和负半周期操作

• 正半周期：PWML信号负责进行脉冲宽度调制或占空比控制。当PWML信号为高时，低侧快速支路设备导通，电流对电感充电并储存能量；当PWML信号为低时，电感电流通过高侧快速支路开关转移能量到负载。在整个正半周期，电流从左到右流过电感，并通过低侧慢速支路设备返回源，因此SRL信号会使相应的慢速支路设备导通，以实现最佳转换器效率。
• 负半周期：PWMH信号负责进行脉冲宽度调制或占空比控制。当PWMH信号为高时，高侧快速支路设备导通，电流对电感充电并储存能量；当PWMH信号为低时，电感电流通过低侧快速支路开关转移能量到负载。在整个负半周期，电流从右到左流过电感，并通过高侧慢速支路设备返回源，因此SRH信号会使相应的慢速支路设备导通，以实现最佳转换器效率。

三、关键功能分析

1. (V_{CC})管理和启动序列

NCP1681控制器需要至少(V{CC(ON)})（通常为10.5 V）的电源偏置才能启用并开始正常运行。由于控制器没有内部高压启动功能，偏置电源必须来自外部源，如专用辅助电源或下游转换器。此外，控制器必须有足够的输入电压（BONOK清除），并验证交流线路频率在预期的运行范围内（(N{DRV_EN} ≥4)），然后才能在下次极性上升沿上电，将启动与正半周期同步。

2. 线电压传感

外部电阻分压器用于将两个高压节点分压，以执行差分线传感。推荐的通用输入消费应用的分压系数为(K_{L_DIV})（通常为100），使得与NCP1681接口的低压信号约为被监测高压信号的1%。LVSNS1引脚与主升压电感的低频节点接口，LVSNS2引脚与慢速支路功率开关的桥电压接口。内部线路检测器电路具有高输入阻抗，允许使用大的外部电阻，以最小化分压器中的功率损耗，实现低空载功耗。

3. 极性检测

通过直接比较两个线感测信号来确定它们的交叉点，交叉点表示交流线路电压的极性发生了变化。外部滤波电容可提高极性检测电路的抗噪能力，推荐的RC滤波器时间常数约为20 - 200 μs。输出信号还会通过数字毛刺滤波器，提供额外的抗干扰能力。

4. 交流线路频率监测

NCP1681控制器具有可选的线路频率监测电路，利用定时器和计数器监测交流线路频率，确保极性比较器输出的切换速率与45 - 65 Hz的市电频率规范一致。如果测量的时间间隔超出预期频率范围，控制器将禁用慢速支路驱动信号，并启动100 ms的定时器。如果在定时器到期前测量到符合规范的时间间隔，则定时器重置，慢速支路驱动脉冲再次启用。如果极性切换持续超出市电频率规范且定时器到期，控制器将禁用快速支路驱动脉冲并进入故障模式。

5. 欠压和线路下垂保护

NCP1681具有线路电压欠压（BO）和线路下垂（SAG）检测功能。当峰值线路电压超过(V{BO(start)})（通常为1.1 V）时，驱动脉冲启用；当线路电压低于(V{BO(stop)})（通常为1 V）并持续一定时间时，驱动脉冲禁用。SAG定时器（25 ms）允许应用在单个交流线路周期内承受线路电压下降，而NCP1681继续提供驱动脉冲。如果SAG定时器到期，控制器将进入软停止期，逐渐降低内部控制电压和PWM脉冲宽度，减少功率输出。如果650 ms的欠压定时器到期，NCP1681将禁用极性检测电路并重置设备。

6. 线路范围检测

NCP1681具有输入电压范围检测功能，可区分高线（标称230 VAC）和低线（标称115 VAC）输入电压。根据重构的(V{LINE})信号的峰值电压检测输入电压范围。默认情况下，控制器上电进入低线模式。如果(V{LINE})超过高线阈值（通常为2.36 V）并持续超过(t{filter(HV)})（通常为300 μs），控制器将转换到高线模式。一旦进入高线模式，峰值线路电压必须低于(V{LL})（通常为2.22 V）并持续超过(t_{blank(LL)})（通常为25 ms），才能回到低线模式。为防止控制器在低线和高线模式之间振荡，设置了500 ms的锁定定时器。

7. 交流零交叉管理

该功能决定了在每个半周期开始和结束时何时启用和禁用各种驱动信号，对图腾柱拓扑的鲁棒性和性能至关重要。NCP1681有6个驱动信号，可分为三类：主PWM驱动信号、同步PWM驱动信号和慢速支路“整流器”或SR驱动信号。每个驱动信号都有相应的停止和启动阈值，这些阈值是线路电压幅度(V_{LINE})的函数。所有阈值都包含滞后，以确保稳定运行，并且所有驱动信号在交流线路电压达到真正的零交叉之前都被禁用，以保证极性信号的精度和鲁棒性。

8. 开环驱动脉冲

在极性转换后立即发出开环驱动脉冲，用于将慢速支路桥节点电压从(V_{BULK})转换到0 V（或反之）。使用较短的驱动脉冲和较小的固定占空比来启动慢速支路桥节点转换，主占空比控制FET的导通时间和关断时间逐渐增加，以协助慢速支路桥节点电压在大容量电压和地之间转换。在开环驱动脉冲期间，慢速支路驱动和（1 - d）驱动保持低电平，电流感测输入被屏蔽。

四、运行模式

1. 多模式运行（NCP1681Bx）

• FCCrM：当开关频率低于130 kHz的频率钳位阈值时，控制器在可变频率临界导通模式（CrM）下运行。一旦开关频率超过钳位频率，控制器将转换到不连续导通模式（DCM），并将下一个开关周期的导通与开关节点谐振的谷值同步。
• DCM：随着负载降低，转换器可能在整个交流半周期内以DCM模式运行，在不同的谷值处切换。进一步降低负载时，控制器进入开关频率降低模式，负载越轻，开关频率越低。当负载接近0时，控制器将开关频率钳位到最小值（通常约为30 kHz），以减轻可听噪声。
• CCM：在重载时，当电感电流导通时间定期超过CCM开关周期(T_{CCM})的112%时，实现固定频率CCM运行。此外，还需要满足多个条件才能转换到CCM运行，并且转换到CCM后，需要满足一定条件才能退出CCM。

2. 固定频率PWM运行（NCP1681Ax）

NCP1681采用预测平均电流模式控制方案来实现功率因数校正和输出电压调节。通过跨导乘法器感测电感电流，并产生与电感电流成比例的输出电流。乘法器的输出电流输入到外部电阻(R{M})，设置乘法器电压(V{M})，用于占空比调制。为了实现良好的功率因数和低谐波失真，PFC转换器必须控制电感电流的幅度，使其跟随交流输入电压的波形。NCP1681通过数字补偿器和乘法器电压控制占空比来实现这一点。

五、保护和增强功能

1. 输出电压保护

NCP1681具有多种输出电压保护功能，包括软过压保护（OVP）、欠压保护（UVP）、动态响应增强器（DRE）等。软OVP在反馈电压超过(V{REF})的105%时触发，以4个步骤将功率输出降低到零；快速OVP在反馈电压超过(V{REF})的108%时立即屏蔽驱动脉冲；DRE在FB引脚电压低于(V_{REF})的95.5%时增加控制环路的增益，以减少输出电压的下冲；UVP在FB引脚电压低于300 mV时触发，保护电路免受FB引脚开路或短路的影响。

2. 辅助绕组和谷值检测

NCP1681采用新颖的“谷值”传感方案，结合边缘检测和阈值检测，以适应图腾柱PFC在正半周期和负半周期的不同运行方式。在正半周期，谷值检测在辅助电压超过200 mV时启动，在低于100 mV时触发；在负半周期，情况相反。推荐的辅助绕组连接包括电阻(R{AUX1})、下拉电阻(R{AUX2})、肖特基二极管(D{AUX})和电容(C{AUX})，以优化谷值检测的对称性和效率。

3. 电感电流传感

NCP1681采用新颖的电流传感方案，通过CS输入和ZCD输入分别感测电感电流的上升和下降斜率，并将这两个信号相加，以重构电感电流的图像。CS输入使用两个电流互感器和一个电流感测电阻，并需要一个“屏蔽”电路来选择性地将互感器输出接地。ZCD输入可以使用高功率、低电感的电流感测电阻或电流互感器电路。

4. 过载和峰值电流限制保护

CS引脚用于逐周期峰值电流限制和过载保护，当峰值电流达到限制阈值时，立即终止占空比控制的驱动脉冲。通过计算最大峰值电感电流和CS电阻值，可以确定合适的电流限制。

5. THD增强器

THD增强器根据CS电压小于(V_{CS(MIN)})阈值的时间产生小的导通时间扩展，在轻载和接近交流零交叉时，电感电流幅度减小，CS电压低于该阈值的时间延长，从而产生更大的导通时间扩展。该功能仅在NCP1681Bx的CrM/DCM模式下有效，与死区时间补偿电路配合使用，可优化整个线路和负载范围内的THD性能。

6. 电流感测开路/短路保护

为了保护CS引脚免受开路或短路的影响，NCP1681具有内部1 μA上拉电流和第二级电流限制比较器。如果CS引脚开路，上拉电流源将引脚电压拉高于比较器阈值，导致驱动脉冲终止，并启动过应力定时器。如果CS引脚短路到地，控制器在预启动阶段输出230 μA测试电流，测量外部产生的最小电压，若电压小于150 mV，则禁止操作。

7. 零电流检测（ZCD）输入

ZCD输入感测电感电流在（1 - d）部分的下降斜率或去磁过程。推荐的传感元件可以是高功率、低电感的电流感测电阻或电流互感器电路。通过计算ZCD电阻值，确保CS和ZCD输入的信号幅度大致相等。

8. 同步PWM驱动控制

同步PWM或（1 - d）设备在图腾柱PFC拓扑中提高了效率，但需要适当的门控来优化效率和确保系统的鲁棒性。NCP1681采用死区时间(T{DT1})（通常为130 ns）来防止交叉导通，在死区时间到期后，控制器等待ZCD电压超过(V{ZCD(ARM)})阈值来启用同步驱动。在轻载时，ZCD电压可能不会超过该阈值，同步设备不会启用，以避免开关损耗对整体效率的影响。在重载时，同步驱动保持启用，直到ZCD电压低于(V{ZCD(TRIG)})阈值。在CCM模式下，还增加了额外的死区时间(t{DT2})（通常为150 ns），在新开关周期开始前150 ns关闭同步驱动脉冲，以防止两个开关的交叉导通。

9. 跳过/待机模式

NCP1681的跳过/待机模式使应用能够在空载和轻载时实现良好的性能。设备必须通过脉冲PFCOK或(V{M})引脚来外部命令进入跳过模式，建议使用PFCOK引脚进行控制。进入跳过模式后，设备除了FB和(V{CC})监测外，大部分功能都停止，内部功耗降低到(I_{CC4})（通常为540 μA）。输出电压下降到调节电压的94%，在一段时间内保持不活动状态。当输出电压达到其标称值的94%时，设备退出跳过模式，短暂启动驱动，将输出电压推回到标称调节值。只要NCP1681继续从外部源接收跳过命令脉冲，设备将继续以跳过 - 突发 - 跳过模式运行。

10. PFCOK操作

PFCOK引脚用于控制下游DC - DC转换器的操作，作为启用或欠压锁定（UVLO）信号。当应用处于正常运行时，引脚输出为高；当应用处于启动或检测到故障条件时，引脚输出为低。引脚输出是与FB引脚电压成比例的电流源，增益为10 μA/V。在应用启动时，PFCOK引脚保持接地，直到(V{FB})电压达到(V{REF})的98%。一旦FB电压超过(V_{REF})的98%，内部PFCOK标志变为高，启用同步PWM和慢速支路SR驱动脉冲。PFCOK标志还控制跳过模式操作和大容量欠压（BUV）故障，确保设备在达到调节之前无法进入跳过模式或宣布BUV故障。

11. 故障引脚和故障矩阵

NCP1681的故障引脚可用于检测过温故障和过压保护。通过NTC热敏电阻检测过温故障，当热敏电阻电压低于(V{FLT(OTP)})（通常为0.4 V）时，控制器检测到故障。OTP故障是可自动恢复的，当故障引脚电压超过(V{FLT(REC)})（通常为0.92 V）时，NCP1681将启用开关。过压保护通过将故障引脚电压拉高于(V_{FLT(OVP)})（通常为3.0 V）来锁定控制器。故障矩阵总结了各种故障的设置条件、复位条件和控制器的具体操作，确保系统在出现故障时能够及时响应和保护。

六、总结

Onsemi的NCP1681图腾柱PFC控制器以其创新的设计和丰富的功能，为电源设计工程师提供了一个强大的工具。它不仅提高了电源的效率和功率密度，还具备多种保护和增强功能，确保了系统的稳定性和可靠性