深入剖析NCP1618：高效多模式功率因数控制器

在电力电子领域，功率因数控制器对于提高电源效率、降低谐波污染至关重要。今天我们要详细探讨的是安森美（onsemi）推出的一款高性能产品——NCP1618，一款创新的多模式功率因数控制器。

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一、产品概述

NCP1618是一款采用SO - 9封装的多模式功率因数控制器，它能够根据开关周期的持续时间在不同的工作模式之间自然切换，从而在宽范围的输入电压和负载条件下实现效率的优化。在极轻负载条件下，它还能进入软跳过（Soft - SKIP）模式，以最大限度地减少损耗。

二、多模式操作

2.1 工作模式切换

NCP1618主要有连续导通模式（CCM）、频率钳位临界导通模式（FCCrM）和不连续导通模式（DCM）三种工作模式。在重载条件下，电路工作在CCM模式；在中轻负载条件下，采用FCCrM模式。当临界导通模式（CrM）的开关频率低于130 kHz时，电路工作在CrM模式，否则工作在DCM模式。在轻负载条件下，DCM频率会降低，并且最低DCM频率被强制保持在25 kHz以上。在FCCrM模式下，还能实现谷底导通（Valley Turn - On），进一步降低损耗。

2.2 功率因数

除了软跳过模式外，NCP1618在所有模式下都能实现接近单位功率因数，有效提高了电源的效率和电能质量。

2.3 开关频率控制

该控制器能够将开关频率牢固地控制在25 kHz至130 kHz之间，确保了系统的稳定性和可靠性。

三、一般特性

3.1 高压启动

NCP1618内置高压启动电流源，可在启动时为(V_{CC})电容充电，确保系统能够快速启动。

3.2 内部补偿

调节环路采用内部补偿，简化了外部电路设计，提高了系统的稳定性。

3.3 X2电容放电功能

满足安全标准要求，在交流电源断开时，能够自动对输入滤波电容进行放电。

3.4 快速瞬态响应

具备快速的线路/负载瞬态补偿功能，能够在负载变化时迅速调整输出，提高系统的动态响应性能。

3.5 宽(V_{CC})工作范围

(V_{CC})的工作范围为9.5 V至35 V，适应不同的电源环境。

3.6 线路范围检测

能够检测输入电压的范围，并根据检测结果自动调整系统参数，优化系统性能。

3.7 pfcOK信号

用于启用或禁用下游转换器，方便系统的控制和管理。

3.8 抖动功能

在CCM模式下，采用抖动功能，有效改善电磁干扰（EMI）特性，降低系统的电磁辐射。

四、保护特性

4.1 过压保护

具备软过压保护和快速过压保护功能，能够在输出电压过高时及时采取措施，保护系统安全。

4.2 线路下垂和欠压检测

能够检测线路电压的下垂和欠压情况，避免系统在异常电压下工作。

4.3 两级过流检测

对过流情况进行两级检测，确保系统在过流时能够及时切断电源，保护设备安全。

4.4 大容量欠压检测

检测大容量电容的欠压情况，防止下游转换器在欠压条件下工作。

4.5 冗余过压保护

通过ZCD引脚实现冗余过压保护（OVP2），提高系统的可靠性。

4.6 热关断

当芯片温度超过150°C时，自动触发热关断保护，防止芯片过热损坏。

五、引脚功能

5.1 反馈引脚（FB）

接收PFC输出电压的一部分，用于调节和动态响应增强（DRE）功能。同时，它也是软过压、快速过压和欠压比较器的输入信号。内置250 nA的灌电流，防止反馈引脚意外开路时触发欠压保护。

5.2 PFC OK引脚（pfcOK）

在PFC输出达到标称水平之前，该引脚接地。当检测到重大故障（如欠压情况）时，也会接地。通过在该引脚和地之间连接一个电阻，可以形成一个代表输出电压的电压信号，用于启用下游转换器并提供前馈信号。

5.3 VM引脚

在CCM模式下，为占空比调制提供电压(V{M})。外部电阻(R{M})用于调整PFC级能够提供的最大功率。如果再连接一个外部电容(C_{M})，则设备工作在平均电流模式；否则，工作在峰值电流模式。

5.4 CS引脚

该引脚输出与电感电流成正比的电流(I_{CS})，用于调整CCM模式下的PFC占空比，同时也用于保护功能，如浪涌电流检测、异常电流检测和过流保护（OCP）。

5.5 ZCD引脚

用于监测辅助绕组的信号，检测电感铁芯的复位情况，确保在不连续和临界导通模式下实现谷底导通。此外，还可以利用ZCD电压检测大容量电容的过压情况，减少功率输出，并在FB引脚电压较低时锁定关闭芯片。

5.6 GND引脚

连接到PFC级的地。

5.7 DRV引脚

具有高电流驱动能力（ - 0.5/+0.8 A），适合驱动高栅极电荷的功率MOSFET。

5.8 (V_{CC})引脚

芯片的正电源引脚。

5.9 HV引脚

用于线路范围检测、线路下垂和欠压保护，同时也是高压启动电路的输入引脚。

六、启动序列与(V_{CC})管理

当(V{CC})电压低于(V{CC(off)})（典型值为9 V）时，内部高压启动电流源会被启用，为(V{CC})电容充电。当(V{CC})超过(V{CC(on)})时，电流源关闭，电路开始工作。(V{CC})电容存储的能量必须足够大，以在辅助电源接管之前维持(V{CC})高于(V{CC(off)})。该控制器具有8 V的典型欠压锁定（UVLO）滞回，可防止系统出现不稳定操作。其较低的(V_{CC(on)})水平使其非常适合由外部电源（如辅助电源）供电的应用。

七、三种工作模式

7.1 FCCrM模式

在FCCrM模式下，电路首先工作在临界导通模式，直到开关频率超过(f_{clamp})（典型值为130 kHz）。此时，电路进入DCM模式，并实现谷底导通，以降低损耗。

7.2 CCM模式

在重载条件下，当电流周期超过CCM开关周期的112%时，电路进入CCM模式。在CCM模式下，电路在整个线路正弦波的各个部分都作为CCM控制器工作，并且至少在CCM消隐时间（(T_{CCMend})，典型值为360 ms）内保持在CCM模式。

7.3 模式切换

电路通过比较当前电流周期的持续时间与(T{clamp})和(T{CCM})来选择工作模式。如果电流周期小于(T{clamp})，则系统工作在DCM模式；如果电流周期大于(T{clamp})但小于(T{CCM})的112%，则系统工作在CrM模式；如果连续8个电流周期都超过(T{CCM})的112%，则系统进入CCM模式。

八、频率折返

在DCM操作中，当功率需求低于某个阈值时，频率钳位（或DCM周期）会逐渐降低。该功率阈值取决于线路范围和电路版本。在轻负载条件下，DCM频率会逐渐降低，以优化效率，但最低频率会被强制保持在25 kHz以上，以防止产生可听噪声。

九、抖动功能

在CCM操作中，NCP1618采用抖动功能，通过内部低频信号调制振荡器的摆幅，将能量分散到传导噪声分析中，有效改善了EMI特性。

十、CCM检测

NCP1618通过测量每个电流周期的持续时间，并将其与(T{CCM})进行比较来检测CCM模式。当连续检测到8个电流周期超过(T{CCM})的112%时，电路进入CCM模式；反之，当在CCM消隐时间内未检测到8个连续周期超过(T_{CCM})时，电路退出CCM模式。

十一、电流检测与保护

11.1 电流检测

NCP1618通过检测与电感电流成正比的负电压来监测电感电流。通过在返回路径中插入电流检测电阻(R{sense})，产生与电感电流成正比的负电压(V{Rsense})。电路利用(V_{Rsense})来检测电感电流是否超过其最大允许值。

11.2 过流保护（OCP）

当(I_{CS})超过OCP阈值（典型值为200 μA）时，检测到过流情况，MOSFET会立即关断，实现逐周期电流限制。

11.3 浪涌电流检测

在FCCrM模式下，NCP1618会监测输入电流，并在电感电流消失之前延迟MOSFET的导通，以确保FCCrM模式的正常运行。

11.4 异常电流检测

当内部CS引脚电流(I{CS})超过(I{ILIMIT2})（设定为(I_{ILIMIT1})的150%）时，检测到异常电流情况，DRV输出会在电路电流下降到浪涌水平以下后保持低电平800 μs。

十二、零交叉检测

NCP1618通过监测辅助绕组的电压来实现零交叉检测，确保在临界和不连续导通模式下，MOSFET能够在谷底导通，从而优化效率。同时，ZCD引脚还可以用于检测过压故障，当(V{ZCD})超过(V{OVP2})（典型值为4 V）时，PFC级会停止工作800 μs。

十三、输出电压控制

13.1 反馈控制

通过FB引脚接收反馈电压，利用“跨导误差放大器和补偿”内部模块提供的控制信号(V_{CONTROL})来控制占空比，实现输出电压的稳定调节。

13.2 过压保护

包括软过压保护和快速过压保护。当反馈电压超过(V{REF})的105%时，触发软过压保护，功率输出逐步降低；当反馈电压超过(V{REF})的107%时，触发快速过压保护，立即停止驱动。

13.3 动态响应增强

当反馈电压低于(V_{REF})的95.5%时，动态响应增强（DRE）电路会加快补偿网络的充电速度，将环路增益提高10倍，直到输出电压达到其标称值的98%。

13.4 软停止序列

在检测到线路下垂、欠压故障或软跳过模式下输出电压达到上限时，会启动软停止序列，逐渐降低(V_{CONTROL})到零，以防止突然中断可能导致的反弹效应。

十四、软跳过模式

通过在(pfcOK)引脚或(V_{M})引脚施加负脉冲，可以使电路进入软跳过模式。在软跳过模式下，电路首先将输出电压充电到其标称值的103%，然后进入软停止序列，逐渐降低线路电流。当输出电压下降到其标称值的98%时，电路退出深度空闲模式，恢复正常操作。

十五、pfcOK信号

(pfcOK)引脚用于控制下游转换器的操作。当PFC级处于正常运行状态时，该引脚为高电平；当处于启动阶段或故障状态时，该引脚接地。通过在(pfcOK)和GND引脚之间连接外部电阻，可以获得与大容量电容电压成正比的电压信号，作为下游转换器的前馈信号。

十六、输入电压检测

16.1 线路下垂检测

检测短时间的市电中断，防止线路恢复时产生过大的应力。当检测到线路下垂时，启动软停止序列，逐渐降低(V_{CONTROL})到零，并禁用CCM模式，以减少功率输出。

16.2 欠压保护

当(V{HV})低于(V{BO(stop)})时，启动欠压定时器。如果在定时器到期之前(V{HV})未超过(V{BO(start)})，则检测到欠压故障，PFC级停止工作。

16.3 线路范围检测

根据HV引脚的峰值电压检测输入电压范围，自动调整系统参数，优化系统性能。当(V{HV})超过(V{lineselect(HL)})（典型值为236 V）时，系统工作在“高线”模式；当(V{HV})低于(V{lineselect(LL)})（典型值为222 V）时，系统切换到“低线”模式。

16.4 X2电容放电

当交流电源断开时，NCP1618会自动对输入滤波电容进行放电，确保安全合规。通过数字采样HV引脚的电压并监测其斜率，检测线路断开情况。当检测到线路断开时，HV引脚吸收电流，禁用驱动，(pfcOK)信号变为低电平。

十七、故障检测与保护

17.1 反馈引脚故障

当反馈引脚浮空时，内置的250 nA灌电流源会将FB电压拉低，触发欠压保护，防止电路异常工作。

17.2 ZCD引脚故障

当ZCD引脚浮空时，该引脚会输出1 μA电流将引脚电压拉高，禁用芯片；当ZCD引脚接地时，电路无法监测ZCD信号，直到DCM最低频率斜坡结束后，才会输出250 μA电流拉高引脚电压，在引脚电压超过1 V阈值之前，不会启动驱动脉冲。

17.3 CS引脚故障

通过比较CS引脚电压与250 mV的阈值，检测CS引脚是否异常。当CS引脚电压超过阈值1 - 2 μs时，芯片会关闭800 μs。同时，当CS引脚浮空时，会输出1 μA电流拉高引脚电压，禁用芯片；当CS引脚接地时，会输出250 μA电流拉高引脚电压，在引脚电压超过250 mV故障阈值之前，不会启动驱动脉冲。

十八、推荐布局

正确的布局对于NCP1618的可靠运行至关重要。特别是IC的CS引脚与检测功率电阻之间的连接组件，应尽可能靠近CS引脚，以减少噪声耦合到高阻抗走线的可能性。

十九、总结

NCP1618是一款功能强大、性能卓越的多模式功率因数控制器，具有多种工作模式、丰富的保护特性和良好的动态响应性能。它能够在宽范围的输入电压和负载条件下实现高效、稳定的功率因数校正，适用于PC电源、离线电器等各种需要功率因数校正的应用。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择电路参数和布局，以充分发挥NCP1618的优势。你在使用NCP1618的过程中遇到过哪些问题呢？或者对于功率因数控制器的设计，你有什么独特的见解吗？欢迎在评论区留言分享。