摘   要：   臨界導電模式(BCM)目前是滿足中低功率應用中功率因數校正(PFC)穩壓的最常用方案。但是，這種解決方案的開關頻率的方差很大，使得在噪聲敏感和大功率范圍應用中實現BCM電路很困難。為了克服這個缺點，安森美半導體開發了一個創新的功率因數控制器—NCP1601，可以在固定頻率和不連續導電模式(DCM)中工作。為了達到整功率因數，電路根據在先前開關周期中測得的死區時間長度調制功率開關導電時間。本文講述NCP1601方案和功能。

引言

在BCM中，線圈電流上升到所需平均值的兩倍，然后回到零。新的電流周期在線圈電流達到零以后馬上開始(參見圖1)。

如圖1所示，開關頻率隨著交流線路和負載而劇烈變化。這種特性引起許多問題。其中最主要的問題是難以濾除EMI和/或產生對由PFC段供電的系統的干擾(比如一些噪聲在顯示器屏幕上可見)。而且，在輕負載和/或高交流電壓下存在高頻，因而實際上不能在這個解決方案中使用緩沖網絡，因為這種解決方案會產生太高的損耗。

也應注意到BCM系統會產生高達500 kHz的頻率。這時控制電路內部所有的傳輸延遲，或電源開關反應時間不再可以忽略，這通常會使電流波形產生失真。于是，功率因數下降。

為了解決這些問題，NCP1601內置新穎的方案，工作在頻率受控模式，從本質上可實現整功率因數。

NCP1601方案

如圖2所示，不連續導電模式產生由以下三個階段構成的線圈電流三角形：

NCP1601僅需極少的外接元件。

交流線路電流是由輸入電容和EMI濾波器對圖2中的線圈電流三角形進行濾波后的結果。若要達到整功率因數，要求每個開關周期的平均電流與輸入電壓成正比?，F在，開關周期Tsw的平均線圈電流是：

  (1)

其中Tsw是電路振蕩器或外部同步信號強制的開關周期，而是線圈電流在Tsw內的平均值：

如果按如下定義電流周期的相對長度(dcycle)：，dcycle=tcycle/Tsw=(ton+tdemag)/Tsw而且假設峰值線圈電流給出如下：，線圈電流平均值可以簡單表示為：

       (2)

如圖2中所詳細描述，NCP1601可使(ton*dcycle)項保持恒定，使得任何開關周期內的線圈平均電流和輸入電壓Vin成正比。因此平均輸入電流是正弦的，可以達到整功率因數(即功率因數為1)。

實際上，電路檢測死區時間，為了補償它，要調制功率開關導電時間，使得(ton*dcycle)在一個輸入電壓周期內保持恒定。

在MOSFET導電時間，線圈電流從零上升到所需交流線路電流的兩倍。此時，功率開關斷開，電流下降到零。為了簡化，只顯示了8個“電流三角形”。實際上，他們的頻率比交流線路的頻率高得多。

圖1   臨界導電模式

圖2  不連續導電模式中的線圈電流

圖3-NCP1601應用原理圖

不連續或臨界導電模式?

振蕩器/同步模塊產生時鐘信號，啟動功率開關。但是，只要有一些電流保持流過線圈，NCP1601就不讓任何MOSFET導電。這種方案保護功率元件免受因連續開關序列導致的過大的應力。因此有兩種情況：

1.時鐘脈沖發生，但沒有電流流過線圈(死區時間)。在這種情況下，功率MOSFET立即導電。

2.時鐘脈沖產生時，有一些電流流過線圈。時鐘信號存儲在電路中，功率開關在磁心復位前不導電。

因此，NCP1601不會跳過在磁心復位之前發生的時鐘脈沖。相反，它存儲信息，并且一旦線圈去磁，便開始一個新的電流周期。換句話說，只要線圈電流周期大于時鐘周期，NCP1601就進入臨界導電模式。這種方案有兩個主要的優點：

1.可以避免因跳周期而造成功率傳輸的不連續性。假設電流周期比時鐘周期稍短，而且功率需求的少許增加可使它更長。如果電路等待磁心復位后的下一個時鐘，開關周期大約會減半。因此，增加功率需求會降低(臨時的)功率傳輸!當電流周期比時鐘周期長時，通過進入真正的BCM工作，NCP1601消除了這種效應。

2.因為死區時間存在，和BCM相比，DCM傾向于需要更高的峰值和均方根電流。因此，BCM在大多數應力條件下(低線電壓、高功率)是強制性的，以避免任何功率元件承受過大應力。當功率需求高時(線圈電流周期長)，系統能夠不減弱任何性能就進入BCM，既滿足要求且優化應用的尺寸。

還應注意到，在傳統的BCM PFC階段中需要一個大線圈，以避免輕載時發生過高的頻率。NCP1601為固定頻率工作，消除了這種不方便。所以此電路方案也有助于減小線圈尺寸。

實驗結果

展示的結果來自一塊電路板，它設計從90 V到265 V交流線路上吸收150 W功率。

開關頻率設置在60 kHz左右。

由于此應用中在最大應力條件下存在死區時間，為了避免由它引起功率元件承受過大應力，選擇電感(400mH / 5 A)，使得在低線電壓和高功率時工作在臨界導電模式中。

實驗表明：

因此，NCP1601是在中低功率應用中進行功率因數校正的有效解決方案。

結語

NCP1601具有臨界導電模式(BCM)電路的優點：

另外，它沒有BCM解決方案中開關頻率變化大的缺點。這些特性使NCP1601成為中低功率應用中的理想選擇。