計算機、服務器及平板電視向來是能效規范機構的重要目標，這些設備必須在滿足高性能的同時符合最新能效要求。安森美半導體身為領先廠商，一直致力于推出符合最新能效規范的電源控制器。本文將介紹安森美半導體應用于計算機電源及平板電視的高能效、高性能功率因數校正(PFC)及半橋諧振雙電感加單電容(LLC)組合控制器NCP1910的主要特性及電源段的應用設計要點，幫助工程師更好地采用NCP1910進行相關的電源設計。

    現有方案及存在的問題

    用于上述電源設計的現有方案存在的最大問題是元器件數量太多，首先必須要有帶主電源輸入欠壓(LBO)保護功能的PFC控制器，還要有帶輸入欠壓(BO)保護及閂鎖功能的LLC控制器；用于處理“功率良好”(PG)信號的比較器，以及用于感測的額外電路也必不可少。此外，為了實現次級端過壓保護(OVP)，需要可控硅整流器(SCR)、比較器及感測電路；為了提供LLC短路保護(SCP)并兼顧PFC工作異常狀況，還需要其他一些元件。如果能在一個單芯片中結合所有功能，實現一種組合控制器就可以使這些問題迎刃而解。

    高性能CCM PFC及LLC組合控制器的優勢

    安森美半導體推出的NCP1910在單芯片中結合了PFC和LLC控制器，集成了這兩個轉換器所需的全部信號交換(handshaking)功能，既可提高可靠性，又可支持更簡單、更高密度的設計。NCP1910采用SOIC-24封裝，適用于高功率的ATX、一體機(all-in-one)及服務器、平板電視電源。

    圖1是采用NCP1910的典型應用電路圖共用電路，它包括遠程PFC段、LLC段，以及實現導通/關閉、功率良好(PG)等的共用電路。

圖1：采用NCP1910的典型應用電路圖

    PFC段具有以下一些特性：

    ·固定頻率連續導電模式(CCM) PFC可提供65kHz,100 kHz、133 kHz及200 kHz選擇；

    ·可編程過流閾值提供優化的感測電阻；

    ·過功率限制可根據平均輸入電壓限制電流；

    ·PFC異常保護，可以在出現PFC異常的情況下，器件停止工作，即使輸入為高線路電壓；

    ·欠壓保護可避免反饋網絡中出現錯誤連接的情況下受損；

    ·快速瞬態響應旨在維持Vbulk穩壓：

    --過壓保護可自動恢復OVP閾值(穩壓電平的105%)；

    --動態響應增強器可在Vbulk降至低于其穩壓電平的95%時，使用其內部200 µA電流源來加快穩壓環路速度；

    ·冗余OVP(OVP2)使用專用引腳來閂鎖Vbulk OVP；

    ·可調節線路輸入欠壓帶50 ms消隱時間(blank time)，避免在低輸入電壓時受損；

    ·Vin2前饋可優化功率因數；

    ·Power Boost可在極端線路瞬態條件下調節Vbulk(如264 Vac→90 Vac)；

    ·可調節頻率反走提升輕載能效；

    ·軟啟動；

    ·圖騰柱(Totem Pole)驅動能力為±1.0 A門驅動器。

    LLC段具有以下一些特性：

    ·25 kHz至500 kHz的寬工作頻率范圍；

    ·板上固定死區時間為300 ns，可避免shot-through；

    ·在軟啟動或重啟時，專用引腳將SS電容放電至地，從而提供平順的輸出電壓上升；在LLC被CS/FF引腳(> 1V)或BO功能關閉時，SS引腳給CSS放電，并提供純粹的軟啟動；

    ·高壓驅動器門驅動器為+ 0.5 A -1.0 A；

    ·雙故障保護電平位于CS/FF引腳：

    --CS/FF > 1 V：LLC轉換器立即通過將CSS接地來增加開關頻率。這是一種自動恢復保護模式；

    --CS/FF > 1.5 V：當故障嚴重并使CS/FF高于1.5 V時閂鎖；

    ·可調節輸入欠壓(BO)，FB 引腳電壓占Vbulk的一部分，不需要高壓感測軌，可以省電；

    ·NCP1910B有跳周期工作功能，當反饋腳電壓低于0.4 V時，LLC驅動器進入跳周期模式，降低頻率，提升輕載能效。

    簡便的設計方法

    使用NCP1910進行設計過程非常簡單，只要三步即可完成，如圖2所示。第一步是設計PFC段，第二步是設計LLC段，第三步是設計信號交換部分。

    電路中的BO及PG電平是由R1、R2、R3決定的，無須感測高壓。BO電平在Vbulk電平(如300 V，取決于電源系統的設計要求)時使LLC停止工作；PG電平在Vbulk電平時，器件通知次級端監控電路，產生功率故障(Power Fail)信號；在PFC頻率反走輸入功率級時，PFC開始降低工作頻率。以下是PFC段和/或LLC段運用熱關閉及過流、過壓、欠壓、過功率、輸入欠壓等保護特性，以及頻率反走、跳周期等提升能效的技巧。

    NCP1910的工作序列如圖3所示，如果PFC未就緒，LLC就不能啟動；一旦PFC就緒，就會開始一段20 ms的延遲；延遲結束后PGout引腳假定為低電平，LLC可以開始工作。在撥除交流輸入關閉電源時Vbulk降低，到達PG信號時，PGout引腳被釋放(開路)；如果Vbulk到達LLC停止電平，LLC停止工作；或者如果Vbulk緩慢下降，如處在輕載狀態，LLC會在PGout引腳被釋放5 ms后停止工作。

圖3：NCP1910的工作序列

    遠程導通/關閉：以專用引腳接收由次級端監控芯片由光耦控制的導通/關閉(on/off)信號；在導通/關閉引腳被釋放開路時，PFC及LLC均停止工作；在導通/關閉引腳接地時，PFC開始軟啟動→PFCok→20 ms后，LLC開始軟啟動。

圖4：遠程導通/關閉

    熱關閉(TSD)：過熱保護功能有助于實現良好的電源設計。當結點溫度超過140℃時，該功能激活，驅動器變為低電平；結點溫度降到典型值30℃時器件恢復工作。

圖5：熱關閉

    頻率反走：可以提高輕載效率，設定Vfold以確定功率開始反走的Vfold值；當(VCTRL – VCTRL(min))小于Vfold時，頻率開始反走；內部鉗位限制反走的最大功率；啟動時無反走。

圖6：頻率反走

    VCTRL與功率及頻率的關系：當輸出功率下降時，VCTRL隨之下降；當到達反走設定點時，頻率線性下降；65 kHz版本將最小頻率內部設定為40 kHz。

圖7：VCTRL與功率及頻率的關系

    PFC段：

    1. 線路輸入欠壓(BO)保護：線路輸入欠壓引腳接收部分平均輸入電流，因此，感測到低線路電壓時，50 ms定時器就會激活。這段消隱時間用于幫助符合維持要求。如果線路電壓在50 ms消隱延遲結束時仍處于低電平，輸入欠壓保護就被觸發，PFC驅動器關閉，VCTRL引腳接地，可使器件在故障消失時使用軟啟動。

圖8：線路輸入欠壓保護

    2. 快速瞬態響應/過壓保護(OVP)：當VFB > 105% VPREF時，過壓保護激活，驅動器輸出變為低電平；當VFB低于103.2% VPREF時，器件自動恢復工作。

圖9：PFC-快速瞬態響應/過壓保護

    3. 冗余OVP(閂鎖)：專用OVP2引腳用來保護大電容；電路中內置的20 µs濾波器用來提供更佳的噪聲免疫性。當OVP2比較器被觸發時，PFC及LLC均關閉。PFCok信號假定為低電平時，PGout被釋放開路，使LLC停止工作。

圖10：PFC-冗余OVP

    4. PFC異常檢測：PFC異常檢測的目的在于，如果PFC沒有正常工作，那么即使出現高線路電壓，PFC和LLC均應停止工作。例如，在高線路電壓時PFC驅動器電阻損毀的情況。實現PFC異常檢測保護的方法是：如果VCTRL保持在最高電平或低于最低電平，如VCTRL引腳異常短路，且時間長于1秒(tPFCabnormal)，則PFCok內部信號下降，PGout引腳立即釋放開路，通知系統電源將關閉；5 ms后LLC停止工作(tDEL2)。

    5. 欠壓保護(UVP)/反饋環路異常保護：UVP可以防止在反饋故障條件下啟動。當VFB < 8% VPREF = 0.2 V時，UVP激活，器件關閉；當VFB高于12% VPREF = 0.3 V時，器件自動開始工作。

圖11：PFC–欠壓保護/反饋環路異常保護

    6. Power Boost：PFC Power Boost功能的目的是在輸入線路從高線路電壓向低線路電壓劇烈變化(如滿載時從264 Vac劇降至90 Vac)時，限制輸出功率，防止Vbulk將大幅下降，可能使Vout超出穩壓范圍。VLBO是Vac的平均值。

    在下列情況時，VLBO可下拉至2 V(VLBO(PD))：VLBO高于2 V(高線路電壓時)，以及VCTRL處于最大值的時間長于4 ms(tPFCflag)；Vbulk低于額定輸出的95%時。PFC Power Boost功能在啟動時被禁止；最長下拉持續時間的典型值為5 ms(tLBO(PDlimit))；在后續最少70 ms時間(tLBO(PDblank))內，開關保持在開路狀態。

    LLC段：LLC拓撲結構為半橋雙電感(LL)加單電容，其恒定占空比為50%，利用頻率變化可以提升穩壓效果。

    1. 一個引腳用于Fmax、Fmin及FSS：Rmin決定LLC最小頻率；Rmin // Rmax決定LLC最大頻率；Rmin // RSS決定LLC啟動頻率；RSS和CSS決定軟啟動持續時間。Rt引腳控制LLC

圖12：LLC的控制

    2. 完整軟啟動：SS引腳接地條件是：啟動，或CS/FF高于VCS1(1 V)，或BO激活，或tDEL2結束。僅在VSS低于VSS(RST)時，SS引腳上的開關被釋放開路，執行從啟動(重啟)開始的完整軟啟動。

圖13：完整軟啟動

    3. 跳周期模式(僅B版本提供)：跳周期模式在輕載時可削減LLC輸出脈沖，從而避免任何頻率失控(runaway)，改善待機能耗。

圖14：跳周期模式

    為了幫助設計，安森美半導體還提供演示電路板(原型板)，其輸入電壓為90v-265v ac，輸出為12 V/25 A，5 V/2 A(用于待機)。

圖15：演示電路板

    能效測試結果表明，該演示電路板的能效等級目標，如典型負載能效及功率因數、空載及待機輸入能耗等如表1所示。

    表1：能效等級目標

    總結

    安森美半導體的ATX電源新產品NCP1910高性能組合控制器在單顆IC中集成了功率因數校正(PFC)和主電源段控制器，具有PFC獨立OVP、PFC動態響應增加器、PFC輕載頻率反走、寬頻率范圍LLC、帶高壓驅動器及極佳OCP、遠程導通/關閉控制及組合管理，可以為臺式個人計算機、平板電視提供高能效、高性能的電源設計。<