集成式临界模式PFC与准谐振电流模式PWM控制器FAN6920MR的深度解析

在电源设计领域，追求高集成度、高性能和高可靠性一直是工程师们的目标。安森美半导体的FAN6920MR控制器，结合了功率因数校正（PFC）控制器和准谐振PWM控制器，为电源设计带来了新的解决方案。本文将深入探讨FAN6920MR的特点、应用和工作原理，帮助电子工程师更好地了解和应用这款控制器。

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一、FAN6920MR的基本概述

FAN6920MR是一款高度集成的控制器，采用16引脚小型封装（SOP），结合了PFC控制器和准谐振PWM控制器。这种集成设计不仅提高了性价比，还降低了外部元件的数目，使电源设计更加简洁。

在PFC方面，FAN6920MR使用受控导通时间技术来调节直流输出电压，执行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，从而提高THD性能。在PWM方面，它提供了谷底检测、绿色模式运行和高/低线路过功率补偿等功能，增强了电源系统的性能。同时，它还具备多种保护功能，如自动恢复保护的次级端开环和过流、外部自动恢复触发、可调过温保护等，确保了电源系统的可靠性。

二、FAN6920MR的特性亮点

2.1 mWSaver技术

该技术提供业内同级最佳的待机功耗，有效降低了电源在待机状态下的能耗，符合现代电子产品对节能的要求。这对于一些长时间处于待机状态的设备，如笔记本电脑适配器、电池充电器等，具有重要意义。

2.2 内部高压JFET启动

内部高压JFET启动功能可在交流电压施加到电源系统时，提供高电流对外部VDD电容进行充电，加速控制器的启动时间，并在三秒内建立额定输出电压。在VDD电压超过导通电压并进入正常操作之后，高电压启动电路会关断以避免启动电阻产生功耗，实现了启动速度和功耗的平衡。

2.3 轻负载效率优化

QR PWM级tOFF - MIN的自适应关断时间调制，提高了轻负载效率。轻负载条件下PFC间歇运行或关断，进一步降低了功耗。针对双管反激设计进行优化，可实现90%以上的效率，同时满足2013 ErP lot6待机功率要求。这使得FAN6920MR在各种负载条件下都能保持高效运行，为电源设计提供了更广泛的应用场景。

2.4 多种运行模式与保护功能

集成式PFC和反激式控制器，采用临界模式PFC控制器和PWM级的准谐振运行，确保了电源系统的稳定和高效。同时具备掉电保护、高/低线路过功率补偿、自动恢复过流保护、自动恢复开环保护、外部自动恢复触发（RT引脚）、可调过温保护、VDD引脚和输出电压OVP（自动恢复）、内部温度关断（140°C）等多种保护功能，全方位保障了电源系统的安全运行。

三、FAN6920MR的应用领域

FAN6920MR的高性能和高可靠性使其适用于多种应用领域，如AC/DC NB适配器、开架式SMPS和电池充电器等。在这些应用中，它能够有效提高功率因数，降低谐波失真，提高转换效率，为设备提供稳定可靠的电源供应。

四、FAN6920MR的工作原理

4.1 PFC电路

4.1.1 多向量误差放大器和THD优化器

FAN6920MR将跨导型放大器与专利的创新型多向量误差放大器配合使用，以实现更好的动态性能、更快的瞬态响应以及PFC输出上的精确箝位。PFC输出电压通过外部电阻分压器电路从INV引脚检测，当PFC输出变化电压超过或低于2.5V参考电压的6%时，多向量误差放大器会调节其输出灌电流或拉电流以增加环路响应，从而简化补偿电路。

为改进轻负载条件下的THD结果，插入了创新的THD优化器。通过在电流感测电阻上对电压进行采样，并将该采样电压添加到锯齿波形中，对PFC栅极导通时间进行调制，使在半个交流周期内该时间并非恒定导通时间。在交流输入电压谷底附近，补偿导通时间比原来宽；在峰值电压附近，PFC导通时间由THD优化器缩小，从而减少过零期间的输入电流失真，提高THD性能。

4.1.2 RANGE引脚

内置低电压MOSFET可根据VVIN电压电平和PFC状态导通或关断，其漏极引脚连接至RANGE引脚。VIN电压电平和RANGE阻抗（开路或接地）存在滞回特性，可根据不同的输入电压情况进行相应的控制。

4.1.3 零电流检测（ZCD引脚）

零电流检测功能通过感测PFC电感辅助绕组上的信息来执行。当PFC MOS关闭时，PFC电感存储的电能开始释放到输出负载，PFC MOS的漏极电压自PFC电感与寄生电容谐振时开始下降。一旦ZCD引脚电压低于触发电压（1.75V典型值），就会再次发送PFC栅极信号以开始新的开关周期。为防止开关频率在轻负载条件下过高，使用内置的抑制定时器来限制最小tOFF时间，即使已检测到ZCD信号，也不会在抑制时间（2.5us典型值）内发送PFC栅极信号。如果PFC操作因异常情况需要关断，可将ZCD引脚电压拉至小于0.2V（典型值）的低电平以激活PFC禁用功能，从而停止PFC开关。

4.1.4 PFC级的保护

• PFC输出电压UVP和OVP（INV引脚）：PFC输出过压和欠压通过INV引脚电压检测并确定。如果INV引脚电压因过冲或异常情况而高于2.75V或低于0.45V且持续约70us的去抖动时间，会激活OVP或UVP电路以立即停止PFC开关。INV引脚不仅用于接收和调节PFC输出电压，还可执行PFC输出OVP/UVP保护，在故障模式测试中，若引脚悬空，可关断PFC开关。
• PFC峰值限流（CSPFC引脚）：在PFC级开关期间，PFC开关电流由CSPFC引脚上的电流感测电阻检测，检测到的电压会与阈值电压0.82V（典型值）作比较。一旦CSPFC引脚电压高于阈值电压，PFC栅极就会立即关断。PFC峰值开关电流可由电流感测电阻调节。
• 断电保护（VIN引脚）：凭借交流电压检测，FAN6920MR可进行断电/通电保护（交流电压UVP）。使用VIN引脚检测交流输入电压电平，当交流电压下降且VIN电压低于1V的时间持续100ms时，会激活UVP保护并且COMP引脚电压箝位至约1.6V。由于PFC栅极占空比通过比较锯齿波形和COMP引脚电压来确定，较低的COMP电压会导致窄PFC导通时间，因此聚集的能量受限并且PFC输出电压下降。当INV引脚电压低于1.2V时，FAN6920MR会立即停止所有PFC和PWM的开关操作，直至VDD电压降至关断电压，然后再次上升至导通电压（UVLO）。

4.1.5 PFC间歇模式

为最大限度降低轻负载条件下的功耗，FAN6920MR PFC控制进入间歇模式操作。随着负载降低，PWM反馈电压（VFB）也降低。当VFB < VCTRL - PFC - BM持续100ms时，器件进入PFC间歇模式，VCOMP拉高至VCOMP - H，PFC输出电压升高。当INV引脚（VINV）上的PFC反馈电压触发OVP值电压（VINV - OVP）时，VCOMP拉低至VCOMP - L，OPFC引脚开关停止，PFC输出电压开始下降。一旦VINV降至反馈比较器参考电压（VREF）以下，VCOMP即拉高至VCOMP - H且OPFC会再次开始开关操作。间歇模式运行交替使能和禁用功率MOSFET的开关以减少轻负载条件下的开关损耗。VCOMP - H由VIN引脚电压调节，较高的线路电压会产生较高的VIN引脚电压，VCOMP - H随VIN引脚电压增大而减小，从而限制较高输入电压下的PFC扼流圈电流以减少噪声。如果VCOMP - H低于PFC vOZ，PFC会在具有高线路电压输入的轻负载条件下自动关断。

4.2 PWM电路

4.2.1 HV启动和工作电流（HV引脚）

HV引脚通过电阻连接至交流线路，在电路为内置高电压启动电路的情况下，当交流电压施加到电源系统时，FAN6920MR提供高电流对外部VDD电容进行充电，加速控制器的启动时间并在三秒内建立额定输出电压。为节省功耗，在VDD电压超过导通电压并进入正常操作之后，该高电压启动电路会关断以避免启动电阻产生功耗。当VDD电压低于VDD - PWM - OFF时，FAN6920MR会停止所有开关操作并关断不必要的内部电路以减少工作电流，可延长从VDD - PWM - OFF至VDD - OFF的周期并且减小打嗝模式频率以降低输出短路情况下的输入功率。

4.2.2 绿色模式操作和PFC - ON/OFF控制（FB引脚）

绿色模式可进一步降低系统功耗，通过关断时间调制以根据FB引脚电压调节开关频率。当输出负载减少时，FB电压会因次级反馈变动而降低并且tOFF - MIN得到延长。在tOFF - MIN（由FB电压确定）后，会激活内部谷底检测电路以检测PWM开关的谷底漏极电压。检测到谷底信号时，FAN6920MR会输出一个PWM栅极信号以接通开关并开始新的开关周期。通过轻负载条件下的绿色模式操作和谷底检测，电源系统可进行扩展的谷底开关DCM操作并进一步降低开关损耗以实现更高的转换效率。FB引脚电压不仅用于接收次级反馈信号以确定栅极导通时间，还能确定PFC级工作模式。

4.2.3 谷底检测（DET引脚）

FAN6920MR工作在绿色模式时，tOFF - MIN由绿色模式电路确定（根据FB引脚电压电平）。在tOFF - MIN之后，会激活内部谷底检测电路。在PWM开关的tOFF期间，当变压器电感电流放电至零时，变压器电感和PWM开关的寄生电容开始同时谐振。当PWM开关的漏电压下降时，由于辅助绕组与初级绕组耦合，辅助绕组VAux上的电压也会下降。一旦VAux电压谐振并下降至负值，VDET电压即由DET引脚箝位并且FAN6920MR强制流出电流IDET。FAN6920MR反映并比较此IDET电流，如果此拉电流上升至阈值电流，则会在固定延迟时间（200ns典型值）之后发出PWM栅极信号。

4.2.4 高/低压线路过功率补偿（DET引脚）

通常情况下，电源开关关断时存在延迟，该延迟会在不同交流输入电压下、PWM限流电平相同的条件下产生不同的最大输出功率。输入电压越高，产生的最大输出功率也越高。为使不同输入电压下的最大输出功率接近，控制器需要调节CSPWM引脚的VLIMIT以控制PWM开关电流。在PWM开关的tON期间，输入电压施加到初级绕组且辅助绕组VAux上的电压与初级绕组电压成正比。随着输入电压增大，辅助绕组VAux上的反射电压也变得更高，FAN6920MR还能箝位DET引脚电压并流出电流IDET。由于电流IDET与VAux电压相一致，FAN6920MR在tON期间根据此电流调节PWM开关的限流电平从而进行高/低压线路的过功率补偿。随着输入电压增大，辅助绕组VAux上的反映电压与电流IDET一样也变得更高，并且控制器将VLIMIT调节为较低的电平。工程师可调节RDET电阻以获得正确的VLIMIT电压，从而符合过功率或过电流保护的技术规格。

4.2.5 前沿消隐（LEB）

当接通PFC或PWM开关时，由于输出二极管的反向恢复能量与功率MOSFET的Coss会交互作用，在电流感测电阻上会产生电压尖峰。为防止该尖峰产生，内置了前沿消隐时间并且建议在CSPWM引脚和GND之间放置一个小RC滤波器（例如：100Ω，470pF）。

4.2.6 PWM级的保护

• VDD引脚过压保护（OVP）：VDD过压保护功能可在VDD电压高于器件应力额定电压时防止器件损坏。对于VDD OVP，控制器会立即停止所有开关操作并进入自动恢复保护。
• 可调过温保护和外部保护触发（RT引脚）：恒定电流IRT从RT引脚流出，RT引脚上的电压VRR可通过IRT电流乘以电阻（由NTC电阻和RA电阻组成）得到。如果RT引脚电压低于0.8V并持续一段去抖动时间，会激活自动恢复保护并且停止所有PFC和PWM的开关。RT引脚通常通过NTC电阻实现过温保护并且提供外部保护触发以加强保护。工程师可使用外部触发电路（如晶体管）将RT引脚拉低并激活控制器自动恢复保护。当RT引脚电压低于0.5V时，保护去抖动时间设置为约110μs；当RT引脚触发电压高于0.5V时，保护去抖动时间设置为约10ms。为避免RT引脚上的不恰当触发，添加一个与NTC和RA电阻并联的小值电容（例如：1000pF）。
• 输出过压保护（DET引脚）：在PWM变压器电感放电期间，辅助绕组上的电压通过次级绕组反映，因此DET引脚上的稳定电压与输出电压成正比。FAN6920MR可在tOFF消隐时间后采样该稳定电压电平以进行输出过压保护。该tOFF消隐时间用于忽略来自PWM变压器漏电感的电压振铃。采样稳定电压电平与内部阈值电压2.5V进行比较后，一旦激活保护，FAN6920MR即进入自动恢复保护。保护电压电平可由外部电阻分压器RA和RDET之比确定。
• 欠压锁定（UVLO，VDD引脚）：导通和关断VDD阈值电压分别固定在18V和10V。在启动期间，保持电容（VDD电容）由HV启动电流充电，直至VDD电压达到导通电压。在输出电压上升至额定电压并从辅助绕组向VDD电容传送电能之前，该保持电容必须保持VDD电压电能用于操作。当VDD电压达到导通电压时，如果在VDD电压降至关断电压VDD - PWM - OFF之前未触发保护，FAN6920MR会启动所有开关操作。

五、总结与思考

FAN6920MR作为一款集成式的临界模式PFC和准谐振电流模式PWM控制器，凭借其丰富的特性、广泛的应用领域和完善的工作原理，为电源设计提供了一个强大而可靠的解决方案。它在提高功率因数、降低谐波失真、提高转换效率和增强系统可靠性等方面表现出色。

然而，在实际应用中，工程师们仍需要根据具体的设计需求和应用场景，合理选择和调整电路参数，以充分发挥FAN6920MR的性能优势。例如，在进行高/低压线路过功率补偿时，如何精确调节RDET电阻以获得最佳的VLIMIT电压；在进行过温保护时，如何根据实际工作环境确定合适的NTC电阻和RA电阻值等。这些问题都需要工程师们在实践中不断探索和总结。

通过对FAN6920MR的深入了解和应用，相信电子工程师们能够设计出更加高效、可靠的电源系统，满足现代电子产品对电源性能的不断追求。你在使用类似控制器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。