深入剖析NCP1631：用于交错式PFC的高效功率因数控制器

在电力电子领域，功率因数校正（PFC）技术至关重要，它不仅能提高电源效率，还能减少对电网的谐波污染。今天我们要详细探讨的是安森美（onsemi）推出的NCP1631——一款集成双MOSFET驱动器的交错式2相PFC控制器。

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NCP1631简介

NCP1631采用SOIC - 16封装，此封装集成了构建坚固紧凑的交错式PFC级所需的所有功能，且外部元件需求极少。它具备近单位功率因数，在各种条件下（包括瞬态阶段）都能实现180°的显著相移。其频率钳位临界传导模式（FCCrM）使得在最恶劣的条件下也能实现临界传导的固定频率、不连续传导模式运行，而且在整个负载范围内能优化PFC级效率。同时，它还具备反相控制，可降低电磁干扰（EMI）和大容量电容器中的均方根电流。

主要特性亮点

1. 频率相关特性：FCCrM模式下，能在不同负载条件下自动调整运行模式，从DCM到CrM无缝切换，且不影响功率因数和功率传输的连续性。频率折返功能在轻载时可降低开关频率，进一步提高轻载效率。
2. 电气性能：具有高达 - 500 mA / + 800 mA的高驱动能力，电源电压范围为10 V至20 V，能够有效驱动高栅极电荷功率MOSFET。
3. 反馈与控制：提供“pfcOK”信号，可用于通知下游转换器PFC级是否处于稳定运行状态，便于下游转换器进行优化设计。
4. 保护功能全面：涵盖输出过压和欠压保护、浪涌电流检测、过流限制、热关断等多种保护功能，保障系统稳定可靠运行。

关键参数解读

最大额定值

参数	符号	额定值	引脚	单位
最大电源电压（连续）	VCC(MAX)	- 0.3, + 20	12	V
DRV引脚最大电压	DRVMAX	- 0.3 V, VCC	11, 14	V
低功率引脚最大输入电压	VMAX	- 0.3, + 9.0	1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 16	V

典型电气特性

以 (V{CC}=15 V), (V{pin7}=2 V), (V_{pin10}=0 V) 为典型测试条件，不同参数在不同温度范围内有着特定的表现。例如，在不同温度下，振荡器的充电和放电电流会有所不同，从而影响开关频率。

• 振荡器相关：在温度 (T{J}=-40^{circ}C) 到 (+125^{circ}C) 范围内，充电电流为76.5 μA；在 (T{J}=-55^{circ}C) 到 (+125^{circ}C) 范围内，充电电流为115.5 μA。
• 电流检测：浪涌电流检测阈值（ (TJ = - 40^{circ}C) 到 (+125^{circ}C) ）为10.4 A，电流检测保护阈值在不同温度下也有相应规定。

工作模式与原理

交错式FCCrM模式

NCP1631驱动交错式PFC的两个分支采用FCCrM模式。在最恶劣条件下，每个相以临界传导模式（CrM）运行；在其他情况下，以不连续传导模式（DCM）运行。这种模式下，PFC级能根据实际情况在DCM和CrM之间自动切换，且不会造成操作中断和电流形状恶化。 在一个交流线路周期内，CrM可减少正弦波顶部附近的电流应力，DCM可限制线路过零附近的频率。例如，在负载变化较大的情况下，NCP1631能快速调整运行模式，保证系统效率和稳定性。

导通时间调制

NCP1631工作在电压模式下，MOSFET导通时间 (t1) 由调节块生成的信号 (V{ton}) 控制。通过一系列公式推导，我们可以得出输入电流与输入电压成正比，从而实现了正确的交流线电流整形。 [I{in(phase1)} = I{in(phase2)} = k V{in}] 其中 (k = left[frac{C{t} V{REGUL}}{2 L I{t}}right]) 为常数。 这种调制方式使得NCP1631能根据不同的输入电压和负载条件，自动调整MOSFET的导通时间，确保系统始终保持高效运行。

保护与控制功能

安全保护机制

• 过流保护（OCP）：当检测到输入电流超过最大允许水平时，会按比例减小导通时间，以防止电流过大损坏元件。比如，当 (I{CS}) 超过210 μA时，会通过向“VTON处理电路”OPAMP的负输入注入电流 (I{neg}) 来减小导通时间。
• 浪涌电流检测：在PFC级启动时，能监测输入电流并延迟MOSFET导通，直到浪涌电流消失。例如，当 (I_{CS}) 超过14 μA（典型值）时，会阻止PWM锁存器置位，防止MOSFET在大电流冲击下损坏。
• 过压保护（OVP）：当检测到输出电压超过OVP电平，会保持功率开关断开，停止功率传输。
• 欠压保护：主要防止在OVP监测网络故障时误操作。
• 欠压检测：当线路电压过低时，电路停止运行，保护PFC级免受过度应力损坏。
• 热关断：当结温超过150°C时，电路停止脉冲输出；温度降至约100°C时恢复运行。

控制与调节功能

• 调节块与低输出电压检测：提供一个跨导误差放大器，其输出电压范围被精确限制。当输出电压下降时，内部比较器会采取措施加速补偿电容的充电，以限制欠冲。但在启动序列期间，该功能不启用，以实现软启动。
• 零电流检测：通过检测电感电压降为零来确定去磁完成，从而允许下一个驱动导通时间。同时，为防止启动时无信号导致驱动无法开启，集成了内部看门狗定时器。

应用与设计建议

典型应用场景

NCP1631适用于计算机电源、LCD / 等离子平板显示器以及所有需要功率因数校正的离线设备。在这些应用中，NCP1631能够有效提高电源效率，降低电磁干扰，保障设备稳定运行。

设计要点

• 振荡器频率调整：通过在引脚4上连接电容器来调整振荡器频率，建议频率保持在500 kHz以下。例如，使用440 pF电容器可得到约120 kHz的工作频率，每个分支的钳位频率为60 kHz。
• 频率折返设置：通过在引脚6连接电阻来实现频率折返功能，以提高轻载效率。可根据实际需求选择合适的电阻值，如当希望在功率低于最大功率一半时开始降低钳位频率，可选择合适的电阻使在 (V_{REGUL}) 为0.83 V时，引脚6源出105 μA电流。
• 保护电路设计：合理设计过流、过压、欠压等保护电路，确保系统在各种异常情况下的安全性。例如，在电流检测电路中，选择合适的电流检测电阻和相关参数，以准确检测输入电流并触发保护动作。

安森美的NCP1631凭借其高效的交错式PFC控制、全面的保护功能和灵活的调节特性，为电子工程师在电源设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计需求，合理选择参数和设计外围电路，以充分发挥NCP1631的性能优势。你在使用类似的PFC控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。