[新一代ATX机电源控制器NCP1910,(上)]水位控制器图片

　　摘要：满足新一代节能，绿色，环保要求的电脑，平板电视机的电源控制IC 和应用电路。 　　 　　新一代ATX机或平板电视电源控制器能给出更高的效率，更低的EMI。可谓环保节能绿色电源。它将CCM的PFC控制，LLC谐振半桥及高压驱动完好地设计在一个芯片中，大幅度降低了成本，完全满足85PLUS的节能标准。PFC部分采用可变频的折返模式以减小轻载时的开关损耗，满足ATX机的所有信号顺序，控制器包括几个致力端子，能在一次侧与二次侧之间使能掌控振动。这些信号包括电源好指示，还有一个控制开启/关断的端子（经光耦控制），在二次侧OVP输入提供必要的冗余，使主反馈网络离开。快速的故障保护可以立即作用于现有条件，然后再自动恢复软启动程序。
　　主要特色有：
　　◆ 固定的65kHz CCM功率因数校正；
　　◆ 平均电流模式控制低线畸变；
　　◆ 动态响应增强，减少BULK电容低于额定电压值的可能；
　　◆ 独立的过压保护检测端，并且具有闩锁能力；
　　◆ 可调的轻载频率折返式PFC，有效改善轻载效率；
　　◆ 可调AC线路布朗保护，保护时间有50ms延迟，以满足保持时间的规范。
　　◆ 可调的用最佳检测电阻的过流保护阈值；
　　◆ ±1A的峰值电流驱动能力；
　　◆LLC控制器频率范围为25kHz~500kH，精度达±3%；
　　◆ 内部固定死区时间达300ns；
　　◆ 可调的软启动顺序；
　　◆ 快速故障输入，具有软启动触发，可立即自动恢复保护；
　　◆ON/OFF控制IC可以从二次侧遥控；
　　◆ 板上5V基准电压供精密阈值调节和滞后调节；
　　◆ 工作正常后给出电源好（POWER-GOOD）信号；
　　◆NCP1910A版本有两个GND，无跳跃（SKIP）端；
　　◆NCP1910B版本为单一GND，但加入LLC控制跳跃（SKIP）端；
　　◆VCC电压为10V-20V。
　　该芯片典型用于ATX机电源（A版本）及平板电视电源（B版本）。NCP1910典型应用电路如图1（A版）、图2（B版）
　　NCP1910内部等效电路如图3所示。
　　NCP1910 24引脚功能如下：
　　1PIN SS,软启动，外部接一只电容到GND，作为LLC部分启动时间。
　　2PIN Rt，LLC的反馈端，用一个电阻阵列设置最高和最低频率，以光耦为反馈驱动。
　　3PIN PGout，集电极开路的PG信号输出，其在Vbulk好了以后为低电平。
　　4PIN ON/OFF，遥控端，将此端拉低时，电路工作，PFC级首先工作，当FB端进入稳定状态，LLC进入工作，当令其开路时，控制器进入休闲模式。
　　5PIN BO调节端，布朗输出调节端，此端设置PFC部分工作的开启和关断点。
　　6PIN Vref，5V基准电压端，给出稳定电压供外部使用。
　　7PIN PG调节端，调节PG触发电平，从基准供电调节之。
　　8PIN OVP2 冗余OVP，一个完全锁住OVP监视PFC BULK电容电压的功能，其从FB端检测之。
　　9PIN FB PFC反馈端，监视升压BULK电容电压，并使之稳压，还用作快速OVP检测及恢复。
　　10PIN VCTRLPFC误差放大器输出，外部接补偿网络。
　　11PIN VMPFC电流放大器输出，外接一只电阻到GND，设置最大功率水平。
　　12PIN LBOPFC线路输入电压检测，作为线路前馈及PFC的布朗保护。
　　13PIN FoldPFC级的频率折返控制，选择功率折返水平及折返频率。
　　14PIN CSPFC级电流检测，检测电感电流，调节最大检测电压。
　　15PIN CS/FF 快速故障输入端。当上拉过1V时，LLC停止工作，重新进行软启 动程序。
　　16PIN SKIP/AGND 对A版本为AGND，对B版本为SKIP。
　　17PIN GND/PGND 对A版本为PGND，对B版本为GND。
　　18PIN DRVPFC级驱动输出，驱动PFC级的MOSFET。
　　19PIN VCCIC供电电压端，电压从10V~20V最大。
　　20PIN MLLLC部分低边MOS驱动输出。
　　22PIN BridgeLLC半桥结点端。
　　23PIN MULLC部分高边MOS驱动输出。
　　24PIN Vboot 高边MOS驱动的VCC端。
　　应用说明
　　NCP1910是全新一代控制电路，将连续导电模式（CCM）控制的功率因数校正（PFC）和LLC谐振控制半桥的两种独立功能结合在一个电路中。这些内核相互协调，不仅在正常工作条件下可以实施协调功能而且在出现故障时同样起作用。LLC部分可以直接驱动LLC半桥拓扑的高边MOSFET而不需要栅极驱动变压器。
　　功率因数校正部分
　　 ◆ 简单灵活：NCP1910仅需要少量外部元件执行CCM模式PFC工作。此电路方案简化了PFC级的设计。另外，电路还提供了其它一些功能，例如，布朗保护，检测AC电压和准确功率限制功能，以便优化PFC级的设计。
　　◆ 低功耗与闩锁能力：NCP1910设计为在整个工作模式下消耗少量电流。在开机阶段和闩锁模式时芯片所消耗的电流极大地降低，因此，当电路发生故障时功率损耗最小。此功能有助于满足严格的待机功耗规范。利用反馈（FB）引脚可以使电路处于待机状态，另外利用ON/OFF引脚也可以实现此目的。
　　◆ 最大电流限制：电路固定的检测电感电流，如果其检测值比设置的限制电流高将会立刻关闭功率开关。NCP1910也会阻止任何功率开关的开通只要电感电流不低于最大允许水平。此特性保护MOSFET，避免由于开关电流高于功率开关管所能承受最大电流造成的MOSFET可能的极限应力。另外，此方案有效地保护了在开机阶段过大的过冲电流给电容充电的PFC级。
　　◆ 欠电压保护和开路保护：电路检测到反馈电压低于管理水平的8%时，电路关断，同时其损耗降到一个很低的值。此特性用于保护PFC级，避免启动工作时交流线路电压过低或者反馈网络不正常工作（例如：连接错误）。万一欠电压电路被触发，功率好信号关断，LLC电路立刻停止工作。
　　◆ 快速瞬态响应：给出一个低带宽的调整方框，PFC的输出电压超出欠压段，这是由于突然的负载变化或输入电压变化引起的。如果Bulk电容电压与控制水平相差太大：
　　1）过电压保护：NCP1910关断功率开关，当Vbulk超过过电压阈值（105%的管理水平）。这是一种自动恢复功能。
　　2） 动态响应增强：NCP1910通过其内部200uA电流源提高控制回路速度，当布朗电压降低到95%的控制水平时被触发。
　　◆ 线路布朗OUT检测：当电路检测到低的交流条件时PFC级被关断。这种保护形式最大程度地保护了功率开关避免由于过大的应力造成的损坏。
　　◆ 过功率限制：NCP1910依靠通过布朗OUT方框测试出的平均输入电压估算出最大允许电流。这是取决于线路阈值的第二个OCP。当电路检测到一个过功率转换，将立刻复位驱动输出。
　　◆ 冗余过电压保护：作为冗余保护特性，NCP1910提供了第二个锁定OVP，其输入超过了OVP2引脚。如果在此引脚上的电压超出最大的允许电压，PFC和LLC全部被锁定。
　　◆ PFC异常保护：当PFC面对异常状态，因此Bulk电容电压低于管理电压时间长于允许时间，则PFC和LLC均被闩锁。
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　　◆ 软启动：提供启动顺序，限制MOSFET的应力和布朗电压，一个30μA的电流源为在VCTRL端的补偿网络充电使VCTRL逐渐上升。
　　◆ 图腾柱式输出：NCP1910包含一个1.0A栅级驱动，可以有效驱动TO220或者TO247封装的MOSFET。
　　LLC控制器部分
　　◆ 宽频率工作：通过对地电阻网络RT可以使这部分电路的工作频率最高为达到500kHz。一个电阻设置最大开关频率而另一个电阻设置最小开关频率。
　　◆ 板上死区时间：忽略半桥引脚，死区时间被包括在控制器。（见DTL部分）
　　◆ 软启动：一个专用引脚为接地电容放电。当开启提供一个平滑的上升斜波电压时，开机频率通过在RT和SS引脚之间用电阻连接设置为最大。电容与接地RT引脚相连确定软启动持续时间。在故障的模式下，在CS/FF引脚电压超过典型值1.0V时，软启动引脚立刻放电同时，一个高频率重新启动开始。
　　◆ 跳周期工作模式：为了防止轻载条件下频率失去控制，而且可以改善待机功率损耗。NCP1910B用跳周期输入引脚固定检测光耦的集电极。如果这个引脚检测到一个低电平，其将切断LLC的输出直到集电极电平升高。NCP1910A不提供跳周期功能，用线路16脚的模拟地代替。
　　◆ 高压驱动器：在LLC控制器中包含的高压驱动可以直接连接到高压电路中。因此可以直接驱动半桥高边MOSFET而不再需要使用驱动变压器。
　　◆ 故障保护：CS/FF引脚结合了两种电平保护电路。如果电平超过第一个设置水平（1V），则LLC控制器立刻通过外部接地电阻Rt将开关频率设置为最高。这是一种自动恢复保护模式。如果故障更加严重，CS/FF引脚的信号超过第二个设置水平（1.5V），则整个控制器将全部锁定。复位通过检测VCC的欠电压水平、ON/OFF引脚或者是检测PFC部分的布朗输出。最后其还具有用户插、拔电源的设计。
　　联合管理
　　◆ 启动延迟：PFC启动顺序经常会导致由减弱的振荡器引起过度输出。确保PFC输出电压在LLC控制器启动之前完全稳定，一个插在PFC内部启动信号完成之后的20ms延迟是必须的。当联合器出现VCC欠电压、线路布OUT或者通过ON/OFF引脚动作时，这个延迟经常会被复位。
　　◆ 功率好信号：一旦PFC开始工作，内部的PFC_OK信号是必须的。20ms之后，PG引脚电平变低。这个信号在下列两种情况下消失：Bulk电压降低到到异常水平，由强加到PG引脚上面的参考电压编程。这个电平一般在由BO引脚编程的LLC关断电压之上。因此，一个正常的关断顺序是，PG电平首先降低，二次侧的信号闭锁。第二个重要的情况是可以将PG信号降低，当PFC出现错误：反馈线路被破坏、严重的过载。在这种情况下，PG引脚信号立刻变为持续高电平，5ms定时器启动。一旦这个定时器时间过去，LLC控制器被安全的停止。
　　◆ 闩锁功能：在出现恶劣的故障工作条件，PFC级可以自动闭锁OVP2引脚，LLC控制器可以闭锁CS/FF引脚。在这种情况下，整个联合器是闭锁的，只有通过VCC-UVLO，线路布朗输出或者ON/OFF引脚的转换来复位。
　　◆ 过热关断：内部过热关断电路使门级驱动电路不工作，当结温超过典型值140℃时，功率开关关断。电路在温度降低到大约110℃时再恢复工作。
　　NCP1910工作原理
　　◆PFC部分
　　一个CCM模式的PFC变换器如图4所示。输入整流电压为50或60Hz正弦信号。MOSFET的开关在一个很高的频率（NCP1910的典型值为65KHz），因此电感电流IL基本上是由高频和低频部分构成。
　　滤波电容Cin是必不可少的，小容量的电容是用来消除电感电流IL上面的高频干扰的。这个滤波电容不可以太大，因为它会使整流的正弦输入电压畸变而污染功率因数。
　　◆ PFC控制方法
　　NCP1910使用CCM模式特别设计的PFC控制方法。PFC控制方法由以下部分描述。
　　如图5所示，电感电流IL的开关周期T包括充电时段t1和放电时段t2。电压转换率如（1）式得到。
　　==
　　V=V（1）
　　这里：Vbulk为PFC部分输出电压。
　　Vin为整流输入电压。
　　T是开关周期。
　　t1是MOSFET导通时间。
　　t2是MOSFET关断时间。
　　输入滤波电容Cin和EMI前端滤波器吸收电感电流的高频噪声。使输入电流仅仅为低频正弦电感电流。
　　
　　I=I （2）
　　这里：Iin为输入交流电流
　　IL为电感电流
　　IL-50假设为50Hz工作。后缀50意为最初IL的带宽为50Hz
　　从（1）式和（2）式可得，输入阻抗Zin为：
　　Z==（3）
　　这里：Zin为输入阻抗
　　当公式3中的输入阻抗在带宽为50或60Hz时缓慢变化或者不变时，功率因数是正确的。
　　PFC调节和时序图如图6所示。MOSFET的t1时间段是由基准电压Vpref和斜坡电压Vramp相交引起的。其关系如（4）式所示：
　　V=V+=V（4）
　　这里：Vpref是内部斜波电压，为PFC调节比较器的输入；
　　VM为在VM引脚上产生的乘数电压；
　　Ich为内部充电电流；
　　Cramp内部斜波电容；
　　Vpref是内部参考电压，PFC调节比较器反相输入。
　　Ich，Cramp和Vpref也可以作为开关频率斜波信号。专门设计的充电电流Ich如（5）式所示。因此乘法器电压VM如（6）式所示。
　　I=（5）
　　V=V-=V（6）
　　由（3）式和（6）式，可以重新得出输入阻抗Zin，如（7）式：
　　Z= （7）
　　因为Vpref和Vbulk对于时间大致上是不变的，乘法器电压VM与IL-50设计为成比例以确保PFC级的Zin保持固定的目的。见图7阐述：
　　在图6的定时图表中可以看到，VM最初是由来自于电感电流IL的开关频率纹波所构成。由于这种纹波的影响，占空比的产生将不准确。这种调节方式被称为“峰值电流型”。因此，一个外部用来避免VM的高频成分的电容CM连接到乘法器电压VM引脚是必须的。调节方式因此被称为带有更好PF值的“平均电流型”。
　　乘法器的电压VM由公式8算得
　　V= （8）
　　其中:
　　◆ RM是接在VM脚的外部乘法器的固定值电阻。
　　◆ VLBO是LBO脚发生的输入电压信号,和输入电压有效值成比例。
　　◆ Ics是检测电流,和（13）式中提到的电感电流I L成正例。
　　◆ Vctrl是控制电压信号,如（17）式中提到的运行传导放大器（OTA）的输出电压。
　　◆ Vctrl（min）不只是Vctrl的最小运行电压，还是PFC电流调制的补偿电压。
　　RM直接限制了最大输入功率能力。并且由于Vin^2的前馈特性,在此是VLBO的平方。传输功能和传输功率并不受AC电压的限制。Vctrl和能量传输的关系会在随后描述。
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　　如图9所示，线路电压的布朗输出保护脚（用LBO脚表示）接收到输入电压（Vin）的一部分，因为VIN为整流得到的正弦电压, LBO脚必须接一只电容消减AC线路纹波，使电压正比于VIN的平均值。
　　LBO不分的主要功能是检测过低的输入电压。当检测到布朗输出条件时，用一个7uA的电流源降低LBO脚的电压，该功能需要一个窗口应用。
　　在正常的运行中，LBO脚的电压必须高于内部基准电压。VLBOT（典型值为1V）。在此情况下LBO比较器的输出VLBOcomp为低。
　　相反,如果VLBO低于1V，VLBOcomp变为高电平，980mV的电压源VLBO（clamp）接在LBO端，使其电平保持在接近1V。如果没有故障被检测到,一个50ms的延时t LBO（blank）会被激活。这个延时主要目的是为了帮助达到保持状态的条件。在主线一个短暂的中断之后，没有故障发生，PFC和LLC会继续运行。进一步，LBO端被保持在980mV。线电压恢复到LBO断正常的电压送出之间几乎没有额外的延时。而在一般情况下，由于LBO端和地之间会接大电容来滤除输入电压纹波。因此会产生延时，这样，NCP1910有效地”消除”了任何主线间断，使之短过25ms。（由50ms计时器保证最小值）。
　　在消隐延时t LBO（blank）的末尾，另一个计时器被激活。当故障被检测到时,设置一个50ms的窗口，这就是图9所示t LBO（window）所起的作用。
　　◆ 如果VLBOcomp在第二个50ms延时（tLBO（window））内为高电平，则被确认为线电压布朗输出情况，PFC_BO信号将被变成高电平。
　　◆ 如果VLBOcomp在t LBO（window）期间仍旧保持低电平，则没有故障被检测到。
　　当PFC_BO信号为高时。
　　◆ PFC驱动被禁止，Vctrl端接地，当故障排除后进入软起动的恢复运行。
　　◆ 从LBO脚移除VLBO（clamp）电压源。
　　◆ I LBOH电流源（典型值为7uA）启用，降低LBO端电压，以应用于滞后的情况。
　　起动时,一个PNP的三极管使LBO脚电压保持低在如下条件：Vcc= Vac,rms Vac,rms为线电压的有效值。在前面的章节中提到，ILBOH在PFC运行前是开启的，以便调整线电压Brown-Out的滞后时间。因此，LBO脚的平均电压为:
　　V=Vac,rms
　　I• （9）
　　If R=（2/π） Vac,rms 其降低为（2/π）倍的输入电压有效值的尖峰值.因此LBO脚的平均电压为=（2/π） Vac,rms RLBOL/（RLBOU+RLBOL）。并且由于LBO脚的纹波，VLBO的最小值大约为:
　　V=V
　　 ×1-（10）
　　其中:
　　fLBO为感应网络单极频率。
　　f=
　　fline为线频率。
　　RLBOL为LBO到地之间的分压电阻中的低边电阻。
　　RLBOU为Vin到LBO端之间的分压电阻中的高边电阻。
　　公式10中的1-用来计算LBO脚的电压纹波（第一次估计值）。
　　一般情况下，我们假设fLBO=，重排（9）式和（10）式。则网络连接的LBO端可以由以下公式算出:
　　R=••-1•
　　≌••-1• （11）
　　R=-1R（12）
　　其中：
　　Vac是PFC启动工作交流电压的有效值
　　Vac，off是布朗OUT检测交流电压有效值
　　PFC电流检测
　　器件检测电感电流IC，如图10，是用RSENSE检测出的电压加到CS端，然后求出ICS。
　　I=I （13）
　　其中，RSENSE为检测IL的电阻，RCS为CS端至RSENSE之间的电阻。
　　该方法有如下优点：最少的检测元件数，检测电流ICS代表电感电流IL，它将用于PFC的占空比调制，并产生乘法器电压VM，过功率限制及过流保护。（13）式主张实际上提供柔性的RSENSE选择，它允许检测出冲击电流。
　　PFC过流保护（OCP）
　　PFC的过流保护，实现是在ICS大于IS（OCP）（200μA）时，CS端偏置电压典型为10mV时，计算时它可以忽略，因此，最大OCP电感电流阈值IL（OCP）从（14）式得到：
　　I==×200μA（14）
　　当过流保护阈值达到时，PFC驱动为低电平，当电感电流降到阈值以下时器件自动返回工作。
　　PFC过功率限制（OPL）
　　这是与一个线路检测阈值的第二个OCP。检测电流ICS代表电感电流IL，亦即是输入电流的近似值，输入电压信号VLBO表示输入电压的均方根值，乘积ICS×VLBO表示近似的输入功率（IL×VAC），如图11。
　　当乘积（ICS×VLBO）大于275μVA时，器件关闭PFC的驱动，输入功率即被限制。在乘积（ICS×VLBO）低于275μVA时OPL自动恢复工作，275μVA水平相对应的输入功率，可以用（15）式标出：
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