低待機功耗可控PFC關(guān)斷的單輸出PWM控制器

NCP1230設(shè)計了幾個新技術(shù)特色以實現(xiàn)低待機功耗的中功率AC/DC開關(guān)電源，適于筆記本計算機、電池充電器及其它消費類電子設(shè)備。引線端子少，功能齊全，8PIN封裝，包含了全部控制功能，建起一個有效的供電系統(tǒng)。它是一個電流型控制器，斜波補償放在內(nèi)部。加入了前端PFC的管理電路，并在待機時禁止PFC工作，自己進(jìn)入跨越周期式工作，以限制峰值電流，且不會降到產(chǎn)生音頻噪音的范圍，內(nèi)部含有高壓起動源，消除了對外部起動元件的需要。

NCP1230的內(nèi)部鎖存功能，可用于OVP保護(hù)，令CS觸發(fā)到3V去鎖住PWM,并用拉下Vcc電壓到地電平去復(fù)位，真實的過載保護(hù)，內(nèi)部2.5ms的軟起動，前沿消隱，頻率抖動，改善EMI.

主要特點有：

●電流型控制，內(nèi)部斜波補償。

●內(nèi)部高壓起動電流源，極大降低起動功耗。

●超低待機功耗。

●低峰值電流的跨越周期能力。

●直接控制PFC的Vcc供給及關(guān)斷。

●內(nèi)部2.5ms軟起動。

●內(nèi)部前沿消隱。

●初級側(cè)過流及過壓保護(hù)。

●短路保護(hù)，利用輔助繞組協(xié)助完成。

●+500mA / -800mA峰值電流驅(qū)動能力。

●直接光耦反饋連接。

●定頻工作，三個品種，65KHz,100KHz及133KHz.

●無鉛作業(yè)。

主要應(yīng)用場所為，中大功率AC/DC適配器，充電器，TV顯示器等。

圖1為典型應(yīng)用電路：

圖1 NCP1230組成的AC/DC簡化電路

八個引腳功能描述如下：

1PIN PFC Vcc控制端，此端直接接PFC Vcc,內(nèi)部經(jīng)一低阻開關(guān)接自身Vcc,待機時及起時，令此開關(guān)關(guān)斷，當(dāng)VAUX穩(wěn)定后，打開此開關(guān)，供PFC控制器起動。

2PIN FB回饋端，光耦的光電三極管集電極拉低此端電平以達(dá)到穩(wěn)壓調(diào)整，電流設(shè)置點減到峰值25%時，進(jìn)入跨越周期。

3PIN CS / OVP電流檢測端。它有三個功能，電流檢測，內(nèi)部斜波補償信號取樣，高于3V時鎖死的OVP功能。

4PIN GND IC公共端。

5PIN DRV驅(qū)動輸出端，有+500mA / -800mA驅(qū)動能力。

6PIN Vcc控制器供電端，最高18V,7.7V關(guān)斷。

7PIN NC.

8PIN HV高壓端子，直接接Bulk電容高壓完成起動，給Vcc電容充電，正常工作后關(guān)斷。

圖2給出內(nèi)部功能方框電路。

圖2 NCP1230控制IC的內(nèi)部等效電路

下面詳細(xì)介紹NCP1230的功能特色及設(shè)計程序。

NCP1230是一個電流型控制器，其提供定頻式PWM所需的全部功能，包括邏輯電路，保護(hù)

電路及輸出驅(qū)動，適于低成本的、中、小功率脫線電源應(yīng)用，諸如Note Book適配器，機頂盒，TV及監(jiān)視器等。

NCP1230可以直接接高壓源，提供無損起動。消除外部的起動電路，此外，它還具有PFC的Vcc輸出端，用于給功率因數(shù)校正控制IC提供偏置電源，或給其它電路供電，NCP1230能管理此端子在其待機狀態(tài)及在過載條件下的開與關(guān)。

PFC-Vcc

如NCP1230內(nèi)部電路所示，它有一個低阻抗開關(guān)SW1,從6PIN到1PIN,當(dāng)電源工作在正常負(fù)載下，PFC-Vcc信號給出35mA連續(xù)電流供PFC使用。

接在NCP1230的PFC Vcc端，直接送到PFC的控制芯片的Vcc處。僅要一支0.1μf旁路電容即可。

NCP1230的典型應(yīng)用電路如圖3。

圖3 NCP1230的典型應(yīng)用電路

反饋

反饋端設(shè)計成光耦光電三極管集電極直接接于FB端子，它通過內(nèi)部20KΩ電阻上接Vcc電源，此反饋輸入信號被1/3分壓后，接到PWM比較器的反相輸入端，而同相輸入端接至電流檢測信號（圖4）。

圖4 NCP1230的反饋連接法

圖5 反饋與跨越周期電路

NCP1230為峰值電流型控制器，此處，反饋信號正比于輸出功率，在初始周期中，功率開關(guān)開啟，變壓器初級電流增長，當(dāng)峰值電流達(dá)到反饋電壓的水平時，PWM比較器即從低電平到高電平，復(fù)位PWM的鎖存觸發(fā)器，然后關(guān)斷外功率開關(guān)，直到下一個振蕩周期開始。

反饋輸入端被箝制在正常的10V水平，以應(yīng)對ESD保護(hù)。

跨越周期模式

反饋輸入與跨越周期邏輯并聯(lián)相接（圖5），當(dāng)反饋電壓降到最大峰值電流的25%以下時，IC為防止此電流進(jìn)一步減少，開始消隱輸出脈沖，此稱做跨越周期模式工作，當(dāng)控制器進(jìn)入跨越周期工作模式時，變壓器的工作按猝發(fā)頻率沖寬度工作，減小了平均輸入功率。

此處，Vc - 控制端子電壓（反饋輸入）。

Ipk- 峰值初級電流。

Rs - 電流檢測電阻。

3 - 反饋回路電阻分壓比。

跨越電平 = 3V?25% = 0.75V.

此處：

此處，Pin - NC1230進(jìn)入跨越周期模式的功耗水平。

Lp -初級電感。

F - NCP1230的工作頻率。

此處， τ-電源轉(zhuǎn)換效率。

在跨越周期模式時，PFC-Vcc信號插入了一個高阻抗，只要輕載條件檢測出來并開始執(zhí)行，圖6示出典型波形，第一部分給出正常工作條件，此時輸出電壓較低，結(jié)果是反饋信號較高，要控制器提供出最大功率。第二部分在正常負(fù)載，輸出電平穩(wěn)定狀態(tài)。第三部分為輸出功率降到25%的閾值以下時，此時出現(xiàn)125ms的起動時段。如果條件仍存在，NCP1230繼續(xù)為低功率輸出，內(nèi)部開關(guān)SW1開路，PFC-Vcc信號輸出為低。此時NCP1230進(jìn)入跨越周期模式，F(xiàn)B端移到750mV的閾值水平。在跨越比較器處有100mv窗口，此過程取決于電源在輕載的條件及其時間常數(shù)。因為這時紋波幅度重迭于FB端，低于第二閾值（1.25V），PFC-Vcc比較器輸出仍停在高電平。

在第四個部分，輸出功率開始增加，反饋電壓上升超過1.25V閾值。NCP1230離開跨越周期模式，又回到正常工作狀態(tài)。

離開待機狀態(tài)

當(dāng)反饋電壓升到超出1.25V時，跨越周期停止，SW1立即閉合，并重新供電給PFC,此處無延遲，在此時SW1立即開啟。見圖6。

圖6 跨越周期工作波形

電流檢測

NCP1230為峰值電流控制模式，電流檢測輸入內(nèi)部箝制在1.0V,所以檢測電阻由下面公式R Sense = 1.0V / Ipk 決定。

用一支18KΩ電阻接到CS端，另外一端接到內(nèi)部振蕩器的輸出，用于斜波補償。見圖7。

圖7 NCP1230的斜波補償

斜波補償

在開關(guān)電源中工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）時系在占空比大于50%時，振蕩器位于開關(guān)頻率的一半處。為消除此條件，斜波補償可以加到電流檢測信號處，以校正次諧波振蕩。對低的電流環(huán)增益，典型的產(chǎn)生于50%~100%的電感下斜處。

NCP1230提供一個內(nèi)部2.3V峰峰值的斜波，其通過18KΩ電阻連接到電流檢測端，為執(zhí)行斜波補償，需一支電阻從電流檢測電阻處接到3PIN。

實例計算

如果我們假設(shè)用65KHz的NCP1230版本，在65KHz下，斜波的dv/dt是130mV/μS.我們設(shè)計的反激變換器，初級電感 為530μH.電源輸出為12V,Np: Ns = 1:0.1,初級電流斜率在關(guān)斷時間段為：

當(dāng)在電流檢測電阻（0.1Ω）強加上時，若選75%的電感電流的下斜作為我們所需求的斜波總量，那么我們將有27 mV/μS。

設(shè)內(nèi)部補償為130 mV,分壓比推薦為0.207,因此：

前沿消隱

在開關(guān)電源中，在電流斜波起始點，因功率開關(guān)的柵源電容，變壓器繞組間交連電容及輸出整流管的反向恢復(fù)造成一個很大的電流尖刺，為防止它造成的不成熟地關(guān)斷PWM的輸出驅(qū)動，必須加入前沿消隱電路，令其與電流檢測輸入及PWM比較器串接。LEB電路的加入使電流檢測信號在開始的250ns內(nèi)將其消除。見圖8.

圖 8 前沿消隱電路

圖9 短路保護(hù)的時序 1

短路保護(hù)

NCP1230采用輔助繞組去檢測隔離的二次側(cè)的輸出狀態(tài)來應(yīng)對短路保護(hù)，這是與其它控制器完全不同的地方，這需要一些條件。（在本例中要有較大漏感）否則極難做短路保護(hù)及過載保護(hù)。在功率開關(guān)關(guān)斷時，漏感重迭了一個大的尖峰電壓于開關(guān)的漏極上，這個尖峰會在隔離的二次側(cè)輸出處檢測出來，在輔助繞組中也能檢測出來。因為輔助繞組也在此峰值處用二極管整流，這樣輔助繞組的Vcc電容電壓上也出現(xiàn)峰值于正常的平坦處，它也正比于輸出水平。

為了解析這個結(jié)果，NCP1230監(jiān)視此1.0V的錯誤標(biāo)志。此錯誤標(biāo)志（內(nèi)部1V）維持高電平的話，立即開始一個125ms時段，如果此125ms時段結(jié)束時，錯誤標(biāo)志仍舊維持，則控制器即決定有真實的故障條件，于是停止PWM的驅(qū)動輸出，見圖9.當(dāng)其出現(xiàn)時，Vcc開始減小，因為電源已被鎖住，當(dāng)Vcc降到UVLO低電平（7.7V）閾值時，即進(jìn)入鎖住階段。此時內(nèi)部消耗降到680μA,Vcc端電壓繼續(xù)下滑，但速度減慢，當(dāng)Vcc達(dá)到鎖死電平（5.6V）時，電流源起動開通，再將Vcc拉高到UVLO的高端閾值，為限制故障時的輸出功率，用兩個電路分壓器接于Vcc處，在電源重新起動之前需要兩個起動程序，如果故障不再存在，錯誤標(biāo)志變低，則控制器又回到正常狀態(tài)。

在瞬態(tài)負(fù)載條件下，如果錯誤標(biāo)志維持，錯誤標(biāo)志通常會驅(qū)動一個125ms的時間段，控制器在此時間段內(nèi)仍然正常工作。

如果125ms時間段超出，NCP1230又進(jìn)入跨越周期模式，SW1開路，PFC-Vcc輸出被關(guān)掉，不會再激活，直到故障移去，電源再次恢復(fù)正常。

在跨越周期模式時，為防止任何過熱狀態(tài)，希望猝發(fā)狀態(tài)的占空比保持在20%以下。

鎖死階段還可以再開始，更傳統(tǒng)地會在Vcc降到UVLO（7.7V）以下，在此故障檢測期間，控制器不會等待125ms的時間輸出，或錯誤標(biāo)志在令它進(jìn)入鎖死之前就工作在跨越周期狀態(tài)。這個狀態(tài)如圖10所示。

圖10 短路保護(hù)的時序2

電流檢測輸入端的鎖死

NCP1230特色中還有一個內(nèi)部快速比較器（圖8）它在控制器關(guān)斷期間監(jiān)視電流檢測端子，如果因任何原因使3PIN電壓超過3V,則NCP1230會立即停止PWM的驅(qū)動脈沖，并執(zhí)行停在鎖死狀態(tài)，直到偏置源的周期停下來（即Vcc降到4.0V以下），這提供給設(shè)計師一個執(zhí)行外部關(guān)斷電路的柔性選擇（如過壓或過熱保護(hù)）。當(dāng)控制器因3PIN鎖死時，SW1開路，關(guān)斷PFC-Vcc輸出。

圖11示出如何執(zhí)行對NCP1230的外部關(guān)斷，利用一個容納二極管及PNP三極管即可，僅在控制器輸出OFF時，PNP才可能通過齊納電壓生效。為此使CS的信息在控制輸出ON時離開控制，改變元件的接線安排，可以增加NTC器件用于過熱保護(hù)（OTP）。

圖11 高壓起動及過壓保護(hù)關(guān)斷

驅(qū)動輸出

NCP1230提供的驅(qū)動輸出，可以通過一個限流電阻接到功率MOSFET的柵，驅(qū)動輸出能力上升時間為40ns,內(nèi)部的源出漏入電阻為12.3mΩ，該測量系在1nf電容負(fù)載條件。

起動順序

NCP1230有一個內(nèi)部的高壓起動電流源（8PIN）直接接到外部高壓DC總線（圖11）當(dāng)電源總線加電后，其內(nèi)部電流源3.2mA給Vcc端外部電容充電（6PIN），見圖12.當(dāng)6PIN電壓達(dá)到Vcc off （12.6V）時，電流源關(guān)斷，以減少芯片功耗，NCP1230然后開啟，驅(qū)動外部功率MOS.經(jīng)變壓器建立輸出電壓，并經(jīng)過輔助繞組整流給Vcc電容充電。

圖12 起動順序示意圖

在起動順序中，控制器推出最大峰值電流，在經(jīng)過2.5ms的軟起動周期后，隨著Ipk達(dá)到峰值設(shè)置點，內(nèi)部的1V齊納二極管激活限制此電流幅度到1.0V/ Rsense,并維持一個錯誤標(biāo)志指示出最大電流條件開始監(jiān)控。在此模式下，控制器必須決定，它是在正常起動過程中，還是其被強制在故障條件下，為決定兩者的不同，錯誤標(biāo)志維持125ms時段，然后倒計時，如果在125ms內(nèi)標(biāo)志去除，控制器復(fù)位，時段終結(jié)，然后正常起動順序開始，SW1進(jìn)入低阻抗，令PFC-Vcc輸出使能。如果在125ms周期結(jié)束時，錯誤標(biāo)志仍維持，那么控制器認(rèn)定為故障條件，PWM控制器進(jìn)入跨越周期工作模式。并禁止了PFC-Vcc的輸出。

軟起動

NCP1230特點是有一個內(nèi)部2.5ms的軟起動電路，當(dāng)Vcc達(dá)到正常的12.6V時，軟起動電路激活。軟起動電路輸出一個控制參照電壓到放大器的反相端（圖13），而同相端送入反饋信號輸入，放大器的輸出驅(qū)動一個FET,去箝制反饋信號，由于其軟起動的輸出為向上的斜波。它允許反饋端送到PWM比較器逐步從零增加到最大箝制電平1.0V（V/Rsense）這出現(xiàn)在2.5ms的軟起動周期結(jié)束處，直到電源輸出達(dá)到穩(wěn)壓，軟起動還會在每次復(fù)位重新起動時被激活，圖14示出軟起動的順序。

圖 13 軟起動電路部分

圖14 軟起動波形

頻率抖動

頻率抖動是用于軟化EMI信號的一種方法，采用擴展開圍繞控制器工作的開關(guān)頻率的方法實現(xiàn)。NCP1230提供正常開關(guān)頻率的 +/-6.4%的變化。內(nèi)部產(chǎn)生出擺動的鋸齒波上、下調(diào)節(jié)時鐘，調(diào)制的周期為5ms,圖15顯示頻率抖動的波形。

過熱保護(hù)

內(nèi)部采用一個熱關(guān)斷電路做集成電路的OTP.以防芯片超出最高結(jié)溫，當(dāng)芯片達(dá)到165℃時，控制器關(guān)斷PWM的驅(qū)動輸出。當(dāng)此狀態(tài)出現(xiàn)時，Vcc將降下，控制器不再能給出驅(qū)動脈沖。輔助繞組設(shè)有能量補充給Vcc的電容，當(dāng)Vcc降到4.0V時Vcc重起電路激活，控制器重新起動，如果用戶使用恒定電源供電，Vcc在過熱關(guān)斷時就不允許降到4V.NCP1230也不會重新起動，該特點提供了防止芯片因偶然過熱導(dǎo)致的災(zāi)難性的故障。

圖15 頻率抖動波形圖