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便于功率因数校正的控制器NCP1601

发布时间:2020-11-16 发布时间:
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引言

在BCM中,线圈电流上升到所需平均值的两倍,然后回到零。新的电流周期在线圈电流达到零以后马上开始(参见图1)。

如图1所示,开关频率随着交流线路和负载而剧烈变化。这种特性引起许多问题。其中最主要的问题是难以滤除EMI和/或产生对由PFC段供电的系统的干扰(比如一些噪声在显示器屏幕上可见)。而且,在轻负载和/或高交流电压下存在高频,因而实际上不能在这个解决方案中使用缓冲网络,因为这种解决方案会产生太高的损耗。

也应注意到BCM系统会产生高达500 kHz的频率。这时控制电路内部所有的传输延迟,或电源开关反应时间不再可以忽略,这通常会使电流波形产生失真。于是,功率因数下降。

为了解决这些问题,NCP1601内置新颖的方案,工作在频率受控模式,从本质上可实现整功率因数。

NCP1601方案

如图2所示,不连续导电模式产生由以下三个阶段构成的线圈电流三角形:NCP1601仅需极少的外接元件。

交流线路电流是由输入电容和EMI滤波器对图2中的线圈电流三角形进行滤波后的结果。若要达到整功率因数,要求每个开关周期的平均电流与输入电压成正比。现在,开关周期Tsw的平均线圈电流是:

xa0 (1)

其中Tsw是电路振荡器或外部同步信号强制的开关周期,而是线圈电流在Tsw内的平均值:

如果按如下定义电流周期的相对长度(dcycle):,dcycle=tcycle/Tsw=(ton+tdemag)/Tsw而且假设峰值线圈电流给出如下:,线圈电流平均值可以简单表示为:

xa0xa0xa0xa0xa0xa0 (2)

如图2中所详细描述,NCP1601可使(ton*dcycle)项保持恒定,使得任何开关周期内的线圈平均电流和输入电压Vin成正比。因此平均输入电流是正弦的,可以达到整功率因数(即功率因数为1)。

实际上,电路检测死区时间,为了补偿它,要调制功率开关导电时间,使得(ton*dcycle)在一个输入电压周期内保持恒定。

在MOSFET导电时间,线圈电流从零上升到所需交流线路电流的两倍。此时,功率开关断开,电流下降到零。为了简化,只显示了8个“电流三角形”。实际上,他们的频率比交流线路的频率高得多。

不连续或临界导电模式?

振荡器/同步模块产生时钟信号,启动功率开关。但是,只要有一些电流保持流过线圈,NCP1601就不让任何MOSFET导电。这种方案保护功率元件免受因连续开关序列导致的过大的应力。因此有两种情况:

1.时钟脉冲发生,但没有电流流过线圈(死区时间)。在这种情况下,功率MOSFET立即导电。

2.时钟脉冲产生时,有一些电流流过线圈。时钟信号存储在电路中,功率开关在磁心复位前不导电。

因此,NCP1601不会跳过在磁心复位之前发生的时钟脉冲。相反,它存储信息,并且一旦线圈去磁,便开始一个新的电流周期。换句话说,只要线圈电流周期大于时钟周期,NCP1601就进入临界导电模式。这种方案有两个主要的优点:

1.可以避免因跳周期而造成功率传输的不连续性。假设电流周期比时钟周期稍短,而且功率需求的少许增加可使它更长。如果电路等待磁心复位后的下一个时钟,开关周期大约会减半。因此,增加功率需求会降低(临时的)功率传输!当电流周期比时钟周期长时,通过进入真正的BCM工作,NCP1601消除了这种效应。

2.因为死区时间存在,和BCM相比,DCM倾向于需要更高的峰值和均方根电流。因此,BCM在大多数应力条件下(低线电压、高功率)是强制性的,以避免任何功率元件承受过大应力。当功率需求高时(线圈电流周期长),系统能够不减弱任何性能就进入BCM,既满足要求且优化应用的尺寸。

还应注意到,在传统的BCM PFC阶段中需要一个大线圈,以避免轻载时发生过高的频率。NCP1601为固定频率工作,消除了这种不方便。所以此电路方案也有助于减小线圈尺寸。

实验结果

展示的结果来自一块电路板,它设计从90 V到265 V交流线路上吸收150 W功率。

开关频率设置在60 kHz左右。

由于此应用中在最大应力条件下存在死区时间,为了避免由它引起功率元件承受过大应力,选择电感(400mH / 5 A),使得在低线电压和高功率时工作在临界导电模式中。

实验表明:

因此,NCP1601是在中低功率应用中进行功率因数校正的有效解决方案。

xa0

结语

NCP1601具有临界导电模式(BCM)电路的优点:

另外,它没有BCM解决方案中开关频率变化大的缺点。这些特性使NCP1601成为中低功率应用中的理想选择。


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