基于NCP1631的交错式PFC电路设计与应用

在电子电源设计领域，功率因数校正（PFC）技术对于提高电源效率、减少谐波污染至关重要。交错式PFC作为一种新兴的解决方案，在满足严格外形尺寸要求的应用中越来越受欢迎，如超薄笔记本适配器和液晶电视等。本文将详细介绍基于NCP1631的交错式PFC电路设计，包括其原理、关键参数计算以及实际应用中的测试方法。

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交错式PFC技术概述

交错式PFC通过将两个“小”功率阶段并联，替代一个较大的功率阶段，从而降低设计难度。例如，将两个150W的PFC阶段组合成一个300W的PFC预调节器。这种方法具有易于实现、使用更多但更小的组件以及更好的热分布等优点。此外，交错技术还扩展了临界导电模式（CrM）的功率范围，结合频率钳位临界导电模式（FCCrM），可在300W应用中实现约95%的高效率。

NCP1631芯片特性

NCP1631集成了双MOSFET驱动器，适用于交错式2相PFC应用。它以频率钳位临界导电模式（FCCrM）驱动两个分支，在最恶劣的条件下每个相位工作在临界导电模式（CrM），其他情况下工作在不连续导电模式（DCM）。该芯片具有以下特点：

1. 全稳定的FCCrM和异相运行：采用交互式相位方法，两个分支独立运行，确保在所有条件下保持180°的相位差，防止出现不期望的死区时间或连续导电模式序列。
2. 全功率范围内的优化效率：在整个线路/负载范围内优化PFC阶段的效率。在标称负载下，钳位频率是提高效率的主要因素；在中轻负载下，钳位频率随功率线性衰减，以保持高效率。
3. 快速线路/负载瞬态补偿：通过设置精确的过压保护水平和动态响应增强器，显著缩小输出电压范围，减少负载或线路瞬态时的过冲和欠冲。
4. “pfcOK”信号：检测PFC阶段是否处于稳定状态，可用于禁用下游转换器，确保下游转换器在正常工作时能获得稳定的电压。
5. 安全保护：持续监测输入和输出电压、输入电流和芯片温度，提供过流限制、浪涌检测、欠压保护、欠压检测和热关断等保护功能，确保系统的可靠性。

功率组件设计

振荡器频率设置

在设计PFC阶段之前，需要确定NCP1631的振荡器频率。在本应用中，选择将每个相位的开关频率钳位在120kHz左右，这是在减小存储元件尺寸和降低开关损耗之间的一个较好折衷。振荡器频率是每个相位钳位频率的两倍，因此设置为约240kHz。

电感选择

在CrM和FCCrM模式下，根据输入电压、输出电压和最大输入功率等参数，计算电感的最大峰值和均方根电流。为了在低线电压、满载条件下实现临界导电模式，电感值应满足一定的条件。最终选择了一个150μH/6A pk /2.5A rms的线圈。

功率半导体选择

• 桥二极管：根据峰值电流额定值和功率损耗选择桥二极管，假设每个二极管的正向电压为1V，桥二极管的功率损耗约为6.5W。
• MOSFET：根据峰值电压应力和均方根电流选择MOSFET，计算得到每个分支的MOSFET均方根电流约为1.8A。使用600V、0.4Ω的FET（SPP11N60），考虑温度影响后，每个分支的导通损耗约为2.3W，两个分支的总导通损耗为4.6W。
• 升压二极管：交错式PFC需要两个升压二极管，每个二极管的平均电流为负载电流的一半。选择MUR550整流器，每个二极管的损耗小于500mW。

大容量电容器设计

输出电容器的设计需要考虑输出电压的最大允许低频纹波、通过电容器的均方根电流以及保持时间等因素。根据相关公式计算，选择了一个100μF的电容器，其峰峰值纹波为25V（±3%的输出电压），均方根电流为1.4A。

关键参数设置与调整

振荡器频率设置

NCP1631通过设置振荡器频率来钳位PFC阶段的最大频率，防止轻载时开关频率过高。在无频率折返的情况下，振荡器以标称频率摆动，每个分支的标称钳位频率为振荡器频率的一半。通过在引脚6和地之间放置电阻，可以调整频率折返的功率阈值。

欠压电路

欠压电路的引脚7接收PFC输入电压的一部分，通过积分电容去除交流线路纹波。欠压电路具有前馈和检测线路电压过低的功能，通过计算相关电阻和电容的值，可以设置系统开始和停止工作的线路电压阈值。

最大功率调整

通过调整引脚3的定时电阻，可以设置PFC阶段的最大功率。根据相关公式计算，选择了一个18kΩ的电阻，使得PFC阶段的最大功率约为496W。

反馈网络

NCP1631内置跨导误差放大器，通过外部电阻分压器将PFC输出电压缩放后输入到反馈引脚。通过计算反馈电阻的值，可以确保在PFC输出电压为标称值时，反馈引脚的电压等于内部参考电压。

补偿网络

为了提高系统的稳定性和动态响应，需要设计补偿网络。采用Type2补偿网络，通过设置零点和极点的位置，可以实现60°的相位裕度。根据相关公式计算，选择了合适的电容和电阻值。

电流检测网络

NCP1631通过检测与线圈电流成比例的负电压来实现过流保护和浪涌电流检测。通过调整电流检测电阻和过流电阻的值，可以设置最大输入电流。

零电流检测（ZCD）

每个相位的升压电感上的绕组提供零电流检测信息。通过设置合适的匝数比和ZCD电阻，可以确保在所有工作条件下，ZCD引脚在去磁期间获得至少0.5V的电压。

过压保护

NCP1631专门设置了一个引脚用于欠压和过压保护。可以采用双反馈网络配置，提高系统的安全性。通过调整反馈电阻的值，可以设置过压保护的阈值。

测试程序

为了验证NCP1631PFCGEVB评估板的性能，需要进行一系列测试，包括输入电压、输出电压、功率因数、总谐波失真和效率等参数的测量。测试过程中需要注意安全，确保输入电压和输出电流在规定范围内。

总结

本文详细介绍了基于NCP1631的交错式PFC电路设计，包括功率组件的选择、关键参数的设置和调整以及测试程序。通过合理的设计和优化，可以实现高效率、高功率因数和稳定的输出电压。在实际应用中，需要根据具体需求进行适当的调整和验证，以确保系统的性能和可靠性。

你是否在实际设计中遇到过类似的问题？对于交错式PFC技术，你有什么独特的见解或经验？欢迎在评论区分享交流。