深入解析NCP1654：高效、可靠的功率因数控制器

在电子设备的电源设计领域，功率因数校正（PFC）是一个关键的环节，它对于提高电能利用效率、减少对电网的污染至关重要。onsemi推出的NCP1654就是一款专为连续导通模式（CCM）升压预转换器设计的功率因数控制器，下面我们就来深入了解一下这款产品。

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一、NCP1654概述

NCP1654采用SO8封装，能够在固定频率模式下，根据瞬时线圈电流控制功率开关的导通时间（PWM），实现连续导通模式的功率因数校正。其突出特点是极大减少了外部元件数量，简化了PFC的实现过程，同时集成了丰富的安全保护功能，让PFC级更稳定、紧凑。

1.1 关键特性

• 符合标准：符合IEC61000 - 3 - 2标准，满足相关电磁兼容性要求。
• 工作模式：采用平均电流连续导通模式，降低了应用中的di/dt及其产生的干扰。
• 低功耗设计：启动电流极低（< 75μA），关机电流也很小（< 400μA），运行功耗低，有助于降低系统整体能耗。
• 驱动能力：具备±1.5A图腾柱栅极驱动能力，适合驱动高栅极电荷功率MOSFET。
• 振荡与控制：拥有精确的全集成65/133/200 kHz振荡器，以及用于逐周期占空比控制的锁存PWM。
• 安全可靠：具备内部调整的内部参考、带滞后的欠压锁定、软启动和关机功能，并且是无铅器件。

1.2 安全特性

NCP1654具备一系列周全的安全保护特性，包括浪涌电流检测、过压保护、用于开环检测或关机的欠压检测、欠压锁定、软启动、精确过流限制和过功率限制等，全方位保障系统的稳定运行。

1.3 典型应用

该产品广泛应用于平板电视、台式电脑、交流适配器、白色家电以及其他离线式开关电源等领域，为多种电子设备的电源设计提供了优质的解决方案。

二、电气特性参数

2.1 极限参数

NCP1654的极限参数明确了其工作的边界条件，例如电源电压VCC的连续电压范围为 - 0.3V至 + 20V，瞬态电压在持续时间< 10ms、ICC < 10mA时可达 + 25V；输入电压范围为 - 0.3V至 + 10V等。超出这些极限参数可能会损坏器件，影响其功能和可靠性。

2.2 典型电气特性

在VCC = 15V、温度范围从 - 40°C到 + 125°C的条件下，NCP1654展现出了一系列稳定的电气特性。比如，栅极驱动部分的源电阻在Isource = 100mA时典型值为9.0Ω，灌电阻在Isink = - 100mA时典型值为6.6Ω；电压参考VREF典型值为2.5V等。这些参数的稳定性对于保证电路的正常工作至关重要。

三、引脚详细描述

NCP1654的各个引脚都有其特定的功能，以下是对主要引脚的详细介绍：

3.1 Vin（引脚2）

该引脚为PFC占空比调制提供电压VM，PFC电路的输入阻抗与外部连接到该引脚的电阻RM成正比。若外部连接电容CM，则器件工作在平均电流模式；否则，工作在峰值电流模式。

3.2 CS（引脚3）

此引脚提供与电感电流IL成正比的感测电流ICS，用于过流保护（OCP）、过功率限制（OPL）和PFC占空比调制。当ICS超过200μA时，OCP激活，驱动输出禁用。

3.3 VBO（引脚4）

通过连接电阻网络和电容，可以检测与平均输入电压成正比的电压信号。当VBO低于VBOL时，电路检测到输入电压过低（欠压），会关闭输出驱动器，直到VBO超过VBOH。该信号还用于过功率限制和PFC占空比调制。

3.4 Vcontrol（引脚5）

该引脚的电压Vcontrol直接控制输入阻抗，通过连接外部的2型补偿元件，将Vcontrol带宽限制在典型的20Hz以下，以实现接近单位功率因数。当Vcontrol < Vcontrol(min)时，器件无输出，并提供软启动功能。

3.5 VFB（引脚6）

接收与PFC电路输出电压成正比的反馈信号VFB，用于输出调节、过压保护（OVP）和输出欠压保护（UVP）。当VFB超过105% VREF时，OVP激活，驱动输出禁用；当VFB低于8% VREF时，器件进入低功耗关机模式。

3.6 VCC（引脚7）

是IC的正电源引脚。电路通常在VCC超过10.5V时开始工作，低于9V时关闭。启动后，工作范围为9V至20V。

3.7 DRV（引脚8）

图腾柱栅极驱动的高电流能力（±1.5A）使其能够有效地驱动高栅极电荷功率MOSFET。

四、工作原理

4.1 CCM PFC升压

在CCM PFC升压转换器中，输入电压是经过整流的50或60Hz正弦信号，MOSFET以高频（典型为65/133/200 kHz）开关，电感电流IL包含高频和低频成分。滤波电容Cfilter用于消除电感电流的高频成分，但不能太大，以免影响功率因数。

4.2 PFC方法

NCP1654采用了专门为CCM操作设计的PFC方法。其核心是通过控制MOSFET的导通时间t1来实现功率因数校正。输入阻抗Zin与VM、IL - 50等参数相关，通过调整VM使其与IL - 50成正比，从而使Zin在50或60Hz带宽内保持恒定或缓慢变化，实现功率因数校正。

4.3 平均电流模式与峰值电流模式

在实际应用中，如果外部不连接电容CM，电路工作在峰值电流模式，但由于电感电流IL的开关频率纹波会导致占空比生成不准确。而连接外部电容CM后，调制变为平均电流模式，能提高PFC的准确性。

4.4 跟随升压模式

当控制电压Vcontrol达到最大值VCONTROL(max)时，NCP1654工作在跟随升压模式。在这种模式下，预转换器输出电压会随着交流输入电压的幅值线性变化，有助于降低输出与输入电压之间的差距，提高升压效率，降低PFC级的成本。

五、保护功能实现

5.1 输出电压调节

通过高增益的运算跨导放大器（OTA）作为误差放大器，根据反馈信号Vfb生成控制电压Vcontrol，从而调节输出电压。

5.2 快速瞬态响应

由于调节块带宽较低，PFC级输出电压可能会因负载或输入电压的突然变化而出现过冲或下冲。NCP1654具备过压保护和动态响应增强功能来应对这种情况。当Vfb高于105% VREF时，驱动输出变低进行保护；当输出电压低于95%的调节水平时，内部200A增强电流源会加速调节回路，提高瞬态响应性能。

5.3 软启动

当Vcontrol低于VCONTROL(min)时，器件无输出。在欠压、欠压锁定或欠压保护恢复等情况下，200A电流源关闭，只有OTA提升Vcontrol，使其缓慢上升，从而实现缓慢增加的占空比，减少MOSFET上的电压和电流应力。

5.4 过流保护（OCP）

当感测电流ICS大于设定的阈值（典型为200μA）时，过流保护激活，驱动输出变低。当电感电流低于阈值时，器件自动恢复工作。

5.5 欠压保护（UVP）

当Vfb低于8% VREF时，器件关闭并进入低功耗模式；当输出电压高于12% VREF时，器件自动启动。该功能可防止反馈回路异常时功率级受损，并实现低功耗关机模式。

5.6 过功率限制（OPL）

当感测电流ICS与输入电压信号Vbo的乘积超过200VA时，驱动输出关闭，限制输入功率。当该乘积低于200VA时，OPL自动停用。

5.7 欠压锁定（UVLO）

通过比较VCC引脚电压与阈值，当VCC超过10.5V时允许器件工作，低于9V时关闭。比较器具有1.5V的滞后，以防止VCC跨越阈值时出现不稳定操作。

5.8 热关断

当结温超过150°C时，内部热电路禁用电路的栅极驱动，使功率开关保持关闭状态。当温度下降到约120°C时，输出级重新启用，具备30°C的滞后，防止过热导致器件故障。

六、设计建议

6.1 偏置电源

在NCP1654工作在跟随升压模式时，由于PFC输出电压在不同输入电压和负载功率条件下不一定稳定在特定水平，不建议通过在PFC升压电感上增加辅助绕组来获取低压偏置电源，建议从第二级功率转换级获取VCC偏置电源。

6.2 电容选择

在VCC引脚旁边添加典型值为1nF至100nF的去耦电容，以确保器件正常工作；在反馈引脚旁边添加典型值为100pF的去耦电容，防止噪声影响。

NCP1654凭借其出色的性能、丰富的功能和可靠的保护机制，为电子工程师在功率因数校正电路设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，合理利用其引脚功能和特性，结合设计建议，能够设计出高效、稳定的电源系统。那么，在你的设计中，是否考虑过使用NCP1654呢？它又会为你的设计带来哪些优势呢？欢迎大家在评论区分享自己的经验和想法。