深入解析 onsemi FAN6921BMR：集成 PFC 与 PWM 控制器的卓越之选

在电子电源设计领域，高效、稳定且功能丰富的控制器是实现优质电源系统的关键。onsemi 的 FAN6921BMR 集成了功率因数校正（PFC）控制器和准谐振 PWM 控制器，为电源设计带来了诸多优势。本文将深入剖析 FAN6921BMR 的特性、功能及应用，为电子工程师提供全面的参考。

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一、产品概述

FAN6921BMR 是一款高度集成的控制器，它将 PFC 控制器和准谐振 PWM 控制器合二为一。这种集成设计不仅降低了成本，还减少了外部组件的使用，使电源设计更加简洁高效。

1.1 PFC 功能

在 PFC 方面，FAN6921BMR 采用受控导通时间技术，能够提供稳定的直流输出电压，并实现自然的功率因数校正。其创新的 THD 优化器可减少过零期间的输入电流失真，显著改善总谐波失真（THD）性能。

1.2 PWM 功能

对于 PWM 部分，FAN6921BMR 具备多种功能以提升电源系统性能，如谷底检测、绿色模式操作以及高低线过功率补偿等。同时，它还提供了丰富的保护功能，包括二次侧开环和过流自动恢复保护、外部锁存触发、通过 RT 引脚和外部 NTC 电阻实现的可调过温保护、内部过温关断、VDD 引脚过压保护、DET 引脚过压用于输出过压保护以及交流输入电压欠压保护（Brown - in / out）。

二、产品特性

2.1 集成设计

集成 PFC 和反激控制器，采用临界模式 PFC 控制器，PFC 阶段具备零电流检测功能，PWM 阶段实现准谐振操作，且内部为 QR PWM 阶段设置了最小关断时间 8μs。

2.2 软启动与保护

内部为 PWM 提供 10ms 软启动，具备欠压保护、高低线过功率补偿、自动恢复过流保护、自动恢复开环保护、外部锁存触发（RT 引脚）、可调过温锁存（RT 引脚）、VDD 引脚和输出电压过压保护（锁存）以及内部过温关断（140°C）。此外，该器件为无铅产品。

三、应用领域

FAN6921BMR 适用于多种电源应用场景，包括 AC/DC 笔记本适配器、开放式开关电源（SMPS）以及电池充电器等。

四、引脚配置与定义

4.1 引脚配置

FAN6921BMR 采用 16 引脚小外形封装（SOP），每个引脚都有其特定的功能。

4.2 引脚定义

引脚编号	名称	描述
1	RANGE	其阻抗根据 VIN 引脚电压电平变化。当 VIN 引脚检测到的输入电压低于阈值电压时，设置为高阻抗；输入电压为高电平时，设置为低阻抗。
2	COMP	误差放大器的输出引脚，是用于 PFC 输出电压反馈的跨导型误差放大器，内置专有多矢量电流，可简化 PFC 电压反馈环路的补偿电路。
3	INV	误差放大器的反相输入引脚，用于通过分压器接收 PFC 电压电平，并提供 PFC 输出过压和欠压保护。
4	CSPFC	PFC 过流保护比较器的输入，提供逐周期电流限制保护。当 PFC 电流检测电阻上的感应电压达到内部阈值（典型值 0.82V）时，PFC 开关关断。
5	CSPWM	PWM 过流保护比较器的输入，与 FB 引脚电压一起实现 PWM 电流模式控制。通过电阻检测 PWM 开关的开关电流，感应电压用于逐周期电流限制、电流模式控制以及根据 DET 引脚源电流进行高低线过功率补偿。
6	OPFC	图腾柱驱动器输出，用于驱动外部功率 MOSFET，钳位栅极输出电压为 15.5V。
7	VDD	电源引脚，启动和关断阈值电压分别为 18V 和 7.5V，启动电流小于 30mA，工作电流低于 10mA。
8	OPWM	图腾柱输出，产生 PWM 信号驱动外部功率 MOSFET，钳位栅极输出电压为 17.5V。
9	GND	电源地和信号地。
10	DET	通过电阻分压器连接到 PWM 变压器的辅助绕组，用于产生偏移电压补偿 PWM 电流限制阈值电压以实现过功率补偿、检测 PWM 开关漏极电压的谷底信号以实现谷底电压开关并最小化开关损耗，以及提供输出过压保护。
11	FB	反馈电压引脚，用于接收输出电压电平信号，确定 PWM 栅极占空比，实现闭环、过载保护和输出短路保护。当 FB 引脚电压高于约 4.2V 超过 50ms 时，触发相应保护。
12	RT	可调过温保护和外部锁存触发。有恒定电流从 RT 引脚流出，当满足特定条件时，激活锁存并停止所有 PFC 和 PWM 开关操作，直到拔出交流插头。
13	VIN	用于交流输入电压欠压保护的线电压检测引脚，可通过分压器接收交流输入电压电平，控制 RANGE 引脚状态并实现 Brown - in / out 保护。
14	ZCD	PFC 阶段的零电流检测引脚，连接到与 PFC 电感绕组耦合的辅助绕组，检测 PFC 电感电流放电到零时的 ZCD 电压信号，触发新的 PFC 开关周期。当 ZCD 引脚电压低于 0.2V（典型值）时，禁用 PFC 阶段。
15	NC	无连接。
16	HV	高压启动引脚，通过电阻（典型值 100kΩ）连接到交流线路电压，为 VDD 电容提供高充电电流。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

FAN6921BMR 有一系列绝对最大额定值，如 VDD 最大为 30V，VHV 最大为 500V 等。超过这些额定值可能会损坏器件，影响其功能和可靠性。

5.2 推荐工作条件

推荐的工作环境温度范围为 - 40°C 至 +105°C，连续工作电压最大为 25V，HV 引脚最小启动电压为 50V。超出推荐工作范围可能会影响器件的可靠性。

5.3 电气参数

文档详细列出了各个部分的电气参数，包括 VDD 部分、HV 启动电流源部分、VIN 和 RANGE 部分、PFC 阶段、PWM 阶段等的相关参数，如电压、电流、时间等。这些参数为工程师在设计电路时提供了精确的参考。

六、典型性能特性

文档提供了一系列典型性能特性曲线，如开启阈值电压、PWM 关断阈值电压、关断阈值电压、VDD 过压保护阈值、启动电流、工作电流、PFC 输出反馈参考电压、PFC 栅极输出钳位电压等。这些曲线有助于工程师了解器件在不同条件下的性能表现。

七、功能描述

7.1 PFC 阶段

7.1.1 多矢量误差放大器和 THD 优化器

为了实现更好的动态性能、更快的瞬态响应和精确的 PFC 输出钳位，FAN6921BMR 采用了跨导型放大器和专有创新的多矢量误差放大器。当 PFC 输出电压变化达到参考电压 2.5V 的 ±6% 时，多矢量误差放大器调整其输出吸收或源电流，以提高环路响应并简化补偿电路。同时，为改善轻载条件下的 THD 性能，插入了创新的 THD 优化器，通过采样电流检测电阻上的电压来调制 PFC 栅极导通时间。

7.1.2 RANGE 引脚

内置的低压 MOSFET 根据 VVIN 电压电平导通或关断，其漏极连接到 RANGE 引脚，呈现出 VVIN 电压电平与 RANGE 阻抗（开路或接地）之间的迟滞特性。

7.1.3 零电流检测（ZDC 引脚）

通过检测 PFC 电感辅助绕组上的信息实现零电流检测。当 PFC MOS 关断，电感能量释放，漏极电压下降，ZCD 引脚电压低于触发电压（典型值 1.75V）时，发送 PFC 栅极信号开始新的开关周期。为防止轻载时开关频率过高，内置抑制定时器限制最小关断时间。

7.1.4 PFC 阶段保护

• PFC 输出电压欠压和过压保护（INV 引脚）：当 INV 引脚电压超过 2.75V 或低于 0.45V 且持续约 70ms 的去抖时间时，激活 OVP 或 UVP 电路，立即停止 PFC 开关操作。
• PFC 峰值电流限制（CSPFC 引脚）：在 PFC 阶段开关操作期间，检测 CSPFC 引脚电流检测电阻上的电压，与阈值电压 0.82V（典型值）比较，超过该值时立即关断 PFC 栅极。
• Brown - In / Out 保护（VIN 引脚）：通过检测交流输入电压，当 VVIN 电压低于 1V 持续 10ms 时，激活 UVP 保护，限制 PFC 导通时间，降低 PFC 输出电压。当 INV 引脚低于 1.2V 时，停止所有 PFC 和 PWM 开关操作，直到 VDD 电压下降到关断电压再上升到开启电压。

7.2 PWM 阶段

7.2.1 HV 启动和工作电流（HV 引脚）

HV 引脚通过电阻连接到交流线路，内置高压启动电路在施加交流电压时为外部 VDD 电容提供高电流充电，加速控制器启动。VDD 电压超过开启电压进入正常操作后，关闭该电路以节省功耗。

7.2.2 绿色模式操作和 PFC - ON / OFF 控制（FB 引脚）

绿色模式采用关断时间调制技术，根据 FB 引脚电压调节开关频率。轻载时，FB 电压降低，延长 tOFF - MIN 时间，激活内部谷底检测电路，检测到谷底信号后输出 PWM 栅极信号开始新的开关周期，降低开关损耗，提高转换效率。同时，FB 引脚电压还可控制 PFC 阶段的开关状态，轻载时关闭 PFC 阶段可降低功耗。

7.2.3 谷底检测（DET 引脚）

在绿色模式下，tOFF - MIN 时间由绿色模式电路根据 FB 引脚电压确定。之后，激活内部谷底检测电路，检测 PWM 开关漏极电压的谷底信号。当辅助绕组电压 VAUX 谐振下降到负值时，DET 引脚钳位 VDET 电压，FAN6921BMR 流出电流 IDET，当该电流达到阈值电流时，经过固定延迟时间（典型值 200ns）发送 PWM 栅极信号。

7.2.4 高低线过功率补偿（DET 引脚）

由于不同交流输入电压下，功率开关关断延迟时间会导致不同的最大输出功率，FAN6921BMR 根据 DET 引脚在 PWM 开关导通期间的电流 IDET 调节 CSPWM 引脚的 VLIMIT 电压，实现高低线过功率补偿。工程师可通过调整 RDET 电阻获得合适的 VLIMIT 电压。

7.2.5 前沿消隐（LEB）

为防止 PFC 或 PWM 开关导通时电流检测电阻上的电压尖峰，FAN6921BMR 内置前沿消隐时间，并建议在 CSPWM 引脚和 GND 之间添加小 RC 滤波器。

7.2.6 PWM 阶段保护

• VDD 引脚过压保护（OVP）：当 VDD 电压高于器件应力额定电压时，立即停止所有开关操作并进入锁存关断模式，直到拔出交流插头。
• 可调过温保护和外部锁存触发（RT 引脚）：RT 引脚通过恒定电流和外部电阻（NTC 电阻和 RA 电阻）获得电压 VRT。当 RT 引脚电压低于 0.8V 且持续去抖时间时，激活锁存模式，停止所有 PFC 和 PWM 开关操作。RT 引脚还可用于外部触发，根据不同触发电压设置不同的去抖时间，并建议添加小电容以避免误触发。
• 输出过压保护（DET 引脚）：在 PWM 变压器电感放电期间，检测 DET 引脚的平坦电压，与内部阈值电压 2.5V 比较，激活保护后进入锁存模式。保护电压水平可由外部电阻分压器 RA 和 RDET 的比例确定。
• 开环、短路和过载保护（FB 引脚）：输出负载增加时，FB 引脚电压升高。当 FB 引脚电压高于 4.2V 持续 50ms 时，激活保护。
• 欠压锁定（UVLO，VDD 引脚）：FAN6921BMR 的 VDD 开启和关断阈值电压分别固定为 18V 和 10V。启动时，HV 启动电流为 VDD 电容充电，达到开启电压后开始开关操作，直到 VDD 电压下降到 VDD - PWM - OFF。

八、机械封装尺寸

FAN6921BMR 采用 SOIC - 16，150mils 封装，文档详细列出了其机械尺寸参数，包括 A、A1、b、c、D、E、E1、e、h、L、θ 等，为 PCB 设计提供了精确的尺寸信息。

综上所述，onsemi 的 FAN6921BMR 是一款功能强大、性能卓越的集成控制器，适用于多种电源应用。电子工程师在设计电源系统时，可充分利用其丰富的功能和保护特性，实现高效、稳定的电源设计。你在使用 FAN6921BMR 进行设计时，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。