深度解析onsemi FL7921R：集成PFC与PWM的照明控制器

在电子工程师的日常工作中，高效、稳定且功能丰富的电源管理芯片是设计优质电源系统的关键。今天，我们就来深入探讨onsemi推出的FL7921R，一款高度集成的PFC和准谐振PWM照明控制器，看看它究竟有哪些独特之处。

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一、产品概述

FL7921R将功率因数校正（PFC）控制器和准谐振PWM控制器集成于一体，这种高度集成的设计不仅降低了成本，还减少了外部组件的使用数量。对于PFC部分，它采用受控导通时间技术来提供稳定的直流输出电压，并实现自然的功率因数校正。同时，创新的THD优化器可减少过零期间的输入电流失真，提高THD性能。而且，无论PWM级负载条件如何，PFC功能始终开启，确保在轻负载条件下也能实现高功率因数。对于PWM部分，它提供了多种功能来增强电源系统性能，如谷底检测、绿色模式操作、高低线过功率补偿等。此外，还具备多种保护功能，除PWM电流检测引脚开路保护外，其他保护均为自动恢复模式。该控制器采用16引脚小外形封装（SOP）。

二、产品特性

（一）集成设计

集成PFC和反激控制器，将PFC和PWM功能集成在一起，简化了电路设计，提高了系统的可靠性和稳定性。

（二）工作模式

1. 临界模式PFC控制器：采用临界模式工作，提高了功率因数，减少了谐波失真。
2. 准谐振PWM级操作：准谐振操作降低了开关损耗，提高了效率。

   （三）内部特性

3. 内部最小tOFF时间：QR PWM级内部最小tOFF时间为8μs，有助于稳定开关频率。
4. 内部软启动：PWM内部有10ms软启动，减少了启动时的电流冲击。

   （四）保护功能

5. 欠压保护：具备欠压保护功能，确保在输入电压异常时系统能安全工作。
6. 过功率补偿：高低线过功率补偿功能，使系统在不同输入电压下都能稳定输出。
7. 自动恢复保护：包括过流保护、开环保护、过温保护、VDD引脚和输出电压过压保护等，且大部分保护为自动恢复模式，提高了系统的可靠性。

   （五）环保特性

   该器件为无铅器件，符合环保要求。

三、引脚配置与定义

（一）RANGE引脚

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；输入电压处于高电平时，设置为低阻抗。

（二）COMP引脚

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，内置专有多向量电流，可简化PFC电压反馈环路的补偿电路。

（三）INV引脚

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。

（四）CSPFC引脚

PFC过流保护比较器的输入，当PFC电流检测电阻两端的感应电压达到内部阈值（典型值0.82V）时，PFC开关关闭，实现逐周期电流限制保护。

（五）CSPWM引脚

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，用于逐周期电流限制、电流模式控制和高低线过功率补偿。

（六）OPFC引脚

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。

（七）VDD引脚

电源引脚，启动和关闭的阈值电压分别为18V和7.5V，启动电流小于30μA，工作电流低于10mA。

（八）OPWM引脚

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。

（九）GND引脚

电源地和信号地。

（十）DET引脚

连接到PWM变压器的辅助绕组，用于产生偏移电压以补偿PWM电流限制的阈值电压，实现过功率补偿；检测PWM开关漏极电压的谷底电压信号，实现谷底电压开关，降低开关损耗；提供输出过压保护。

（十一）FB引脚

反馈电压引脚，用于接收输出电压/电流电平信号，确定PWM栅极占空比以调节输出电压/电流。当FB引脚电压高于约4.2V超过50ms时，可激活开环、过载和输出短路保护。

（十二）RT引脚

可调节过温保护，当RT引脚电压低于0.8V（典型值）时，控制器停止所有PFC和PWM开关操作并进入自动恢复模式。

（十三）ZCD引脚

PFC级的零电流检测引脚，连接到与PFC电感绕组耦合的辅助绕组，检测零电流检测电压信号。当ZCD引脚电压拉低至0.2V（典型值）以下时，禁用PFC级。

（十四）HV引脚

高压启动引脚，通过一个典型值为100kΩ的电阻连接到交流线路电压，为控制器提供启动电流。

四、电气特性

文档中详细列出了FL7921R在不同条件下的电气特性参数，包括VDD部分、HV启动电流源部分、VIN和RANGE部分、PFC级、PWM级等各个部分的电压、电流、时间等参数。这些参数是工程师在设计电路时的重要依据，需要根据实际应用需求进行合理选择和调整。例如，VDD的过压保护阈值为24 - 25V，PFC级的跨导典型值为125μmho等。

五、典型性能特性

文档给出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。这些曲线直观地展示了FL7921R在不同条件下的性能表现，工程师可以通过这些曲线更好地了解芯片的特性，优化电路设计。

六、功能描述

（一）PFC阶段

1. 多向量误差放大器和THD优化器：采用跨导型放大器和专有多向量误差放大器，提高了动态性能和瞬态响应速度。同时，创新的THD优化器通过采样电流检测电阻两端的电压，调制PFC栅极导通时间，改善轻负载条件下的THD性能。
2. RANGE引脚：内置低压MOSFET，根据VIN引脚电压电平控制导通或关断，改变RANGE引脚的阻抗。
3. 零电流检测（ZCD引脚）：通过检测PFC电感辅助绕组的信息，实现零电流检测。当ZCD引脚电压低于触发电压时，发送PFC栅极信号开始新的开关周期。同时，内置抑制定时器限制最小tOFF时间，防止轻负载时开关频率过高。
4. PFC阶段保护
   • PFC输出电压UVP和OVP（INV引脚）：通过INV引脚检测PFC输出过压和欠压情况，当INV引脚电压超过2.75V或低于0.45V并持续一定去抖时间时，激活OVP或UVP电路，停止PFC开关操作。
   • PFC峰值电流限制（CSPFC引脚）：通过检测CSPFC引脚电流检测电阻两端的电压，当电压高于阈值电压（典型值0.82V）时，立即关闭PFC栅极。
   • 欠压/过压保护（VIN引脚）：通过VIN引脚检测交流输入电压，当AC电压下降且VIN电压低于1V持续100ms时，激活UVP保护，限制PFC输出电压。当INV引脚电压低于1.2V时，停止所有PFC和PWM开关操作，直到VDD电压下降到关闭电压后再上升到开启电压。

（二）PWM阶段

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，在电源系统上电时提供大电流为外部VDD电容充电，缩短启动时间。VDD电压超过开启电压进入正常工作后，关闭高压启动电路以节省功耗。
2. 绿色模式（FB引脚）：通过FB引脚电压调节开关频率，当输出负载降低时，延长tOFF - MIN时间，激活内部谷底检测电路，实现扩展谷底开关，降低开关损耗，提高转换效率。
3. 谷底检测（DET引脚）：在PWM开关tOFF时间内，当变压器电感电流放电到零，变压器电感和PWM开关寄生电容开始谐振，DET引脚检测到谷底信号后，经过固定延迟发送PWM栅极信号。
4. 高低线过功率补偿（DET引脚）：根据输入电压的变化，通过DET引脚的电流调节PWM开关的电流限制水平，使不同输入电压下的最大输出功率接近。
5. 前沿消隐（LEB）：内置前沿消隐时间，防止PFC或PWM开关开启时电流检测电阻上的电压尖峰误触发保护。
6. PWM阶段保护
   • VDD引脚过压保护（OVP）：防止VDD电压高于器件额定电压，发生过压时控制器进入自动恢复模式。
   • 可调节过温保护和外部锁存触发（RT引脚）：通过RT引脚连接NTC电阻实现过温保护，当RT引脚电压低于0.8V并持续一定去抖时间时，激活自动恢复模式。也可通过外部触发电路拉低RT引脚激活保护。
   • 输出过压保护（DET引脚）：通过检测DET引脚的平坦电压，与内部阈值电压2.5V比较，当超过阈值时进入自动恢复模式。
   • 开环、短路和过载保护（FB引脚）：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）：VDD的开启和关闭阈值电压分别为18V和10V，启动时通过HV启动电流为VDD电容充电，当VDD电压达到开启电压且无保护触发时，开始所有开关操作。

七、订购信息与机械尺寸

文档提供了FL7921R的订购信息，包括型号、保护模式、工作温度范围、封装和包装形式等。同时，给出了SOIC - 16封装的机械尺寸，方便工程师进行PCB设计。

综上所述，onsemi的FL7921R是一款功能强大、性能优异的照明控制器，适用于中高功率LED照明驱动应用。在实际设计中，工程师需要根据具体应用需求，合理利用其各种功能和特性，优化电路设计，确保系统的高效、稳定运行。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。