近年來，在一些對尺寸嚴格要求的應用中，如纖薄型液晶電視或筆記型電腦適配器等，一種新興的功率因數校正(PFC)技術-交錯式PFC的使用越來越多。所謂交錯式PFC，是在原本單個較大功率PFC段的地方並行放置2個功率為其一半的較小功率PFC段來替代，參見圖1。這兩個功率較小的PFC段以180°的相移交替工作，總輸入電流(IL(tot))和總輸出電流(ID(tot))紋波都將大幅降低。

雖然交錯式PFC使用相對較多的元器件，但卻擁有很多優勢。例如，150 W的PFC比300 W PFC更易於設計、便於採取模組化途徑、散熱更好及可以擴展臨界導電模式(CrM)應用範圍等。另外，兩個不連續導電模式(DCM) PFC看上去像一個連續導電模式(CCM) PFC，簡化了電磁干擾(EMI)濾波設計，減小輸出均方根(RMS)電流，從而減少損耗及發熱，提高設計的可靠性。尤其值得稱道的是，交錯式PFC支援使用尺寸更小的元器件，從而利於纖薄設計，增強產品賣點。

圖1:採用兩顆NCP1601 PFC控制器實現的交錯式PFC架構功能電子方塊圖

圖1顯示的交錯式PFC是一種離散式的解決方案，採用了2顆NCP1601晶片。NCP1601是一款緊湊的固定頻率DCM或CrM PFC控制器，採用SOIC-8或PDIP-8封裝，能夠充分利用DCM及CrM這兩種工作模式的優勢，如DCM限制最大開關頻率，CrM限制升壓二極體、MOSFET及電感的最大電流，降低成本及提升電路可靠性。這2顆NCP1601 PFC控制器驅動2個PFC分支，這2個分支同步但獨立工作，從而保證了DCM工作模式(零電流檢測)，沒有CCM工作模式的風險，且在滿載條件下2個分支都進入CrM工作模式。

新穎的單晶片2相交錯式PFC控制器

與上述離散式交錯PFC不同，NCP1631是安森美半導體新推出的一款單晶片2相交錯式PFC控制器，採用SOIC-16封裝，替代2顆NCP1601，驅動2個PFC支路，提供接近1的高功率因數。此元件可以實現同樣的低高度設計，適合任何需要PFC的離線式應用尤其是纖薄型應用如平板電視，典型應用示意圖如圖2所示。

對於交錯式PFC的2個支路而言，有兩種方案來工作。其中一種是主/從方案，即主支路自由工作，而從支路以180°相移跟隨主支路工作。這種方案的主要挑戰是維持CrM工作(無CCM，無死區時間)。另一種方案是交互相位方案，即每個相位都在CrM恰當工作，且兩個相位交互作用，設定180°相移。這種方案主要的挑戰是保持恰當的相移，因為雖然維持了CrM工作，但若其中某個相位的導通時間發生擾動，則可能會讓180°相移減弱。NCP1631選擇的是交互相位方案，兩個支路獨立工作，故兩個相位必然在頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)下 工作，防止出現不需要的死區時間或CCM序列的風險。此外，NCP1631內置振盪器充當交錯式時鐘產生器，管理異相工作，使兩個相位交互作用，並在包括啟動、過流保護(OCP)或瞬態序列等所有條件下持續180°相移工作。

圖2:NCP1631典型應用示意圖。

NCP1631滿載時在CrM下工作，輕載時及接近線路過零點時在DCM下工作，從而充當頻率鉗位(由振盪器提供)的CrM控制器，優化完整負載範圍內的能效。FCCrM還縮小電磁干擾(EMI)濾波的頻率範圍，不需要大尺寸電感以限制頻率範圍，支援使用小尺寸電感，如使用150 µH電感(PQ2620)可用於寬主電源範圍的300 W PFC應用。此外，NCP1631還支援頻率反走，降低輕載時的鉗位頻率，進一步改善輕載能效。測試顯示，頻率反走技術提升輕載和空載時的能效。

圖3:NCP1631的引腳輸出及功能描述。

NCP631具有高保護等級，提供過流保護、浪湧電流檢測、單獨引腳用於過壓保護 (OVP) 及欠壓保護 (UVP) 等。例如晶片上的CS引腳監測負電壓VCS，由於VCS與兩個交錯式支路消耗的總輸入電流Iin成正比，故表示可監測Iin。其中CS引腳電流ICS在CS引腳上保持0 V電壓；若ICS超過210 µA，就會觸發過流保護。這個CS引腳同樣提供浪湧電流檢測，當ICS超過14 µA(訊號處於高電平)時，就會關閉輸出驅動，防止損壞MOSFET。晶片上單獨OVP/UVP引腳用於輸出過壓及欠壓保護。此外，BO引腳用於輸入欠壓(BO)檢測，帶50 ms消隱延遲，符合維持時間要求。NCP1631的輸出引腳功能描述見圖3。

NCP1631另一項重要特點是能夠提供 “ pfcOK ” 訊號，能用於啟用/關閉下行轉換器，簡化下行轉換器設計。在PFC段正常工作時 pfcOK訊號是高電平(5 V)，能夠用作5 V電源 (電流能力5 mA)。否則，在任何時候檢測到重要故障(如欠壓鎖定條件、熱關閉、欠壓保護、輸入欠壓、閂鎖/關閉、Rt引腳開路等) 而關閉、 或在PFC段獲得額定大電壓前的啟動相位期間、 pfcOK訊號處於低電平。此外，NCP1631還具備前饋功能，從而改善環路補償。

能效測試結果及影響因素

對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板而言，輸出電壓通常為390 V，滿載時輸出電流為770 mA，20%負載時則為154 mA。這兩類輸出電流一般以相同工具測量，在10%及20%這樣的輕載條件下測量必須特別細心，因為1 mA的誤差就可能導致較大的能效差別。例如，20%負載時，輸入功率為63 W，在154 mA正確值的基礎上，若產生1 mA的誤差，如測得為153 mA或155 mA，相應的能效就分別為:100 x 390 x 0.153/63 = 94.7%，及100 x 390 x 0.155/63 = 95.9%，能效相差高達1.2%。

您的瀏覽器可能無法支援顯示此圖片。 值得注意的是，PFC能效並不只取決於控制模式，電感、MOSFET、二極體、EMI濾波器等都會影響能效。例如，採用200 µH PQ2625電感與採用150 µH PQ2620電感時，約輸出負載高於約50%，則能效差別顯著；相當，在輕載條件下，由於頻率反走功能的緣故，能效相差極小。

圖4:對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板能效測試結果。

測試顯示，對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板具有極高能效。在20%至100%負載範圍下，115 Vac線路電壓時能效高於95.8%，230 Vac線路電壓時能效高於97.0%。

總結:

交錯式PFC支援使用較小的元器件，能夠改善熱性能、增大臨界導電模式(CrM)功率範圍並減小電流紋波，非常適合對尺寸要求極為嚴格的纖薄應用，如最新的超薄液晶電視等。安森美半導體在之前以2顆較小NCP1601實現分立式交錯式PFC的基礎上，新推出了新的2相式頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM) PFC控制器NCP1631，以單顆IC整合構建強固及緊湊的2相交錯式PFC段所需的全部特性，且外部元件極少。FCCrM及NCP1631提供的頻率反走功能支援使用小電感，測試顯示，在完整負載範圍內均提供高能效。

供稿：安森美半導體

參考資料：

1、《交錯式功率因數校正》，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/iPFC%20-%20Interleaved%20Power%20Factor%20Controller%20-%20bilingual.rev0.pdf，安森美半導體

2、《交錯式功率因數校正段特性》，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8355-D.PDF，安森美半導體

3、NCP1631數據手冊，www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1631-D.PDF，安森美半導體