1.3为你的临界模式PFC提供超强动力 - UCC28056 CRMDCM控制芯片工作原理

大家好

我是 TI 的 AC-DC 产品线

应用工程师黄文斌

今天我给大家介绍的议题是

Super power your transition mode PFC

中文翻译为为你的临界模式 PFC

提供超强动力

接下来我们开始第二部分讲解

这部分将详细介绍 UCC28056

这款混合控制的 PFC 控制器

我们一起来看看

这款芯片相比传统的 CRM

是否有一些更改或者改进

UCC28056 在负载减轻下会有如下的表现

当负载减轻的时候

开关频率开始上升

因为开关频率不能无限大

因此最大开关频率将会被限制

一旦开关频率达到这个限制

PFC 就进入断续工作模式

当传统意义上的 DCM 工作时

电感电流的平均值

就不是 1/2 的峰值电流了

它的计算公式是

Vin 乘以 Ton 导通时间除以 2

然后再乘以一个电感

最后在乘一个 δONDCH

其中 δONDCH 等于电感电流上升

和下降时间之和除以整个开关周期

从这个公式来看

这个时候 IAC 就不能完全

等比例于输入电压了

因此 PF 会下降 THD 会上升

UCC28056 在传统的 DCM 基础上

为了保证在整个负载范围内

都有很好的 PF 值

重新计算了导通时间

并保证 Ton 乘以 δONDCH

在每个工频半周期保持恒定

这样 IAC 与输入电压就又成等比例关系了

这样就可以得到比较好的功率因数

左边的图可以看到

在轻载的情况下

由于 UCC28056 使用了 DCM 模式方式

因此开关频率

相比正常开关频率还不到一半

在轻载下它们保证了

最大的峰值电感电流保持基本一致

右边这个图显示了

单纯使用 CRM 时的

开关频率和电感峰值电流的关系图

可以看到

在轻载下 MOS 管的开关频率

都是几十倍正常开关频率

而峰值电流峰值电感电流反而非常小

所以可以看得出来

UCC28056 会有更小的开关频率的范围

这个极大的降低在 MOS 管的

开通损耗和驱动电路的损耗

因此提高了轻载效率

该图对比的 CRM 模式

和 DCM 模式下的 ITHD

随着负载的减轻可以看出

DCM 依然能够保持较低的 ITHD

而 CRM 随着负载的减轻

则会快速的增加 ITHD

这个是因为在 DCM 的模式下

由于限定了峰值电流的值

在过零附近会减小电感电流的过零畸变

因此会有更低的 ITHD

接下来这个图显示的是 UCC28056

在 DCM CRM 切换瞬态中的

详细波形可以看出

在 CRM 工作时

CRM 的电感电流下降到零

或者负电流时完成一个开关周期

它在第一个开关第一个谷底的时候

就完成一个开关周期

而 DCM 是在第二个谷底

或者是后面更多的谷底

第N个谷底来实现

另一个开关周期的开始

同时为了保证 CRM

和 DCM 的正常工作时不会频繁切换

在芯片内部做了回差

保证 DCM 和 CRM 即便在瞬态下

也不会来回切换

接下来我们介绍

UCC28056 的另一个功能

输入线电压检测和输入线电压的前馈

从这个图上可以看得到

输入线电压是通过芯片的

ZCD pin 脚来进行检测的

将检测到的输入线电压信息叠加到 Vcomp

保证在计算 Ton 和 Tdcm 时

采用的 Vcomp 电压仅仅代表输入功率而已

输入电压没有关系

接下来这一页 PPT 主要介绍了

UCC28056 的一个比较重要的功能

该功能是输出电压的运放

使用的是非线性运放

当输出电压与基准的误差超过 3%

那么这个非线性运放的增益

提高到原来的六倍

这样的非线性增益

可以在负载动态情况下

更加快速地对环路补偿电路

进行充电和放电

这样就能保证 UCC28056

有非常好的动态响应

本页介绍了 UCC28056 的保护功能

其中 OCP1 是主要周期的过流保护

它会中断当前的开通时间

OCP2 是用于电感电流连续的保护

Ovp2 是独立的第二种方式的过压保护

Brown-in 功能保证该芯片

必须在高于 85V 才能启动

VCC UVLO 则保证 MOS 管驱动

总是有足够的电平来驱动 MOS 管

防止驱动过低导致 MOS 管工作在线性区域

OTP 是芯片的过温保护功能

当芯片的结温超过 TTSD-R 时

芯片自动关闭驱动芯片来保护芯片

上图中标示红色的两个保护

会维持一秒再尝试重启

从右边这个图也可以看出

其中 ZCD 这个 pin 脚集成了四个保护

下面简单介绍一下 UCC28056

在负载变化过程中

是如何提轻载效率的

是如何提轻载效率的

满载情况下因为导通损耗占主导

因此 UCC28056 总是工作在临界模式

随着负载的减轻

开关上升来保证 UCC28056

还工作在临界的模式

再进一步降低负载

UCC28056 会进入 DCM 模式

TDCM 的计算可以保证电源的效率达到最优

在这个阶段 MOS 管处于谷底开通

减少了一部分开关损耗

如果负载再进一步减少

UCC28056 就会进入间歇模式

进一步减小有效的开关频率

这一页阐述了 UCC28056

工作在 DCM 模式下的谷底开通的波形

一旦进入 DCM

MOS 管总是在 Vds 电压谷底进行开通

减小了开通损耗

提高了轻载的效率

我们可以通过更改 MOS 管的

GS 两端并联电阻

来改变 MOS 管的开通的延迟

从而来优化 MOS 管在谷底哪个位置进行开通

下图罗列的这两个图表

分别是 115 伏输入和 230 伏输入情况下

UCC28056 与安森美的 NCP1608

在整个负载范围内的效率对比

可以看出因为在重载下

两个芯片都工作在 CRM 模式

因此重载下的效率基本上是相当的

但是从轻载效率来看

UCC28056 由于使用了 DCM 和间歇模式

使得在轻载下的效率相比 NCP1608

有非常明显的提升

下面这个表格对比了

NCP1608 和 UCC28056 在待机功耗上的对比

可以看到 UCC28056

在待机功耗上的优势非常明显

为了能满足 COC Tier2 和 DOE 的标准

这个这个标准是整个电源的待机功耗

不能超过 150 毫瓦

因此在待机状态下

UCC28056 可以一直开通 而不需要关闭

这样可以减小系统的成本

包括关闭 PFC 的光耦

这样可以减小系统的成本

包括关闭 PFC 的光耦

同时可以保证系统在退出待机模式下

具有更快的系统响应速度

同样的 PFC 不关机

母线电压范围比较固定

对 DC-DC 的设计也会变得更加容易

下面这一页简单介绍了

UCC28056 在不需要使用辅助绕组

来采集 ZCD 信号所带来的好处

我们刚才也提到了

ZCD pin 脚的主要功能有如下四个

过零检测

电感电流采样

输入电压检测

第二级的过压保护

这样对客户可以有如下的好处

因为辅助绕组需要手工绕制

因此可以降低成本

第二在 PCB Layout 上变得更加容易

在一些低功率的场合减少客户定制磁芯

可以加快设计的速度

接下来我们介绍 UCC28056

在音频噪声上的表现

现在很多的音频噪声

都来源于 Burst Mode 阶段

或者是在 DCM 模式下

当期望过程从第一个谷底到第二个谷底

切换的时候也会导致音频噪声

那么 UCC28056 在 Burst Mode 阶段

使用软开软关的方式来减少音频噪声

同时 UCC28056

采用固定的 TDCM 方式来确保

DCM 时间在一个线电压周期保持不变

同时加入回差保证 DCM

不会轻易地从一个谷底向其它谷底变化

这两个措施都保证了 UCC28056

拥有最好的音频噪声的表现

下面这个表格罗列的是业界主流的

单向 CRM 模式的 PFC 芯片

分别有 TI 的 UCC28056

NXP TEA19162

安森美的 NCP1612

仙童的 FAN6961

以及 Sanken 的 SSC2016S

MPS 的 MP44014x

以及 ST 的 L6562

我们通过下面的这几个维度来进行对比分析

它们来对比分析

分别为 PFC 是否具有的 DCM 工作模式

是否有 Burst Mode

和降低芯片供电电流消耗

是否具有非线性运放来加快动态响应

pin 脚的数量

是否有输入线电压前馈

是否有两级 OCP 保护

精准的谷底开通延迟是否可调

我们可以看出其它芯片的厂家

或多或少都有一些功能无法实现

但是 UCC28056 都满足了这些要求

关于 UCC28056 的介绍就到这

谢谢大家

大家好

我是 TI 的 AC-DC 产品线

应用工程师黄文斌

今天我给大家介绍的议题是

Super power your transition mode PFC

中文翻译为为你的临界模式 PFC

提供超强动力

接下来我们开始第二部分讲解

这部分将详细介绍 UCC28056

这款混合控制的 PFC 控制器

我们一起来看看

这款芯片相比传统的 CRM

是否有一些更改或者改进

UCC28056 在负载减轻下会有如下的表现

当负载减轻的时候

开关频率开始上升

因为开关频率不能无限大

因此最大开关频率将会被限制

一旦开关频率达到这个限制

PFC 就进入断续工作模式

当传统意义上的 DCM 工作时

电感电流的平均值

就不是 1/2 的峰值电流了

它的计算公式是

Vin 乘以 Ton 导通时间除以 2

然后再乘以一个电感

最后在乘一个 δONDCH

其中 δONDCH 等于电感电流上升

和下降时间之和除以整个开关周期

从这个公式来看

这个时候 IAC 就不能完全

等比例于输入电压了

因此 PF 会下降 THD 会上升

UCC28056 在传统的 DCM 基础上

为了保证在整个负载范围内

都有很好的 PF 值

重新计算了导通时间

并保证 Ton 乘以 δONDCH

在每个工频半周期保持恒定

这样 IAC 与输入电压就又成等比例关系了

这样就可以得到比较好的功率因数

左边的图可以看到

在轻载的情况下

由于 UCC28056 使用了 DCM 模式方式

因此开关频率

相比正常开关频率还不到一半

在轻载下它们保证了

最大的峰值电感电流保持基本一致

右边这个图显示了

单纯使用 CRM 时的

开关频率和电感峰值电流的关系图

可以看到

在轻载下 MOS 管的开关频率

都是几十倍正常开关频率

而峰值电流峰值电感电流反而非常小

所以可以看得出来

UCC28056 会有更小的开关频率的范围

这个极大的降低在 MOS 管的

开通损耗和驱动电路的损耗

因此提高了轻载效率

该图对比的 CRM 模式

和 DCM 模式下的 ITHD

随着负载的减轻可以看出

DCM 依然能够保持较低的 ITHD

而 CRM 随着负载的减轻

则会快速的增加 ITHD

这个是因为在 DCM 的模式下

由于限定了峰值电流的值

在过零附近会减小电感电流的过零畸变

因此会有更低的 ITHD

接下来这个图显示的是 UCC28056

在 DCM CRM 切换瞬态中的

详细波形可以看出

在 CRM 工作时

CRM 的电感电流下降到零

或者负电流时完成一个开关周期

它在第一个开关第一个谷底的时候

就完成一个开关周期

而 DCM 是在第二个谷底

或者是后面更多的谷底

第N个谷底来实现

另一个开关周期的开始

同时为了保证 CRM

和 DCM 的正常工作时不会频繁切换

在芯片内部做了回差

保证 DCM 和 CRM 即便在瞬态下

也不会来回切换

接下来我们介绍

UCC28056 的另一个功能

输入线电压检测和输入线电压的前馈

从这个图上可以看得到

输入线电压是通过芯片的

ZCD pin 脚来进行检测的

将检测到的输入线电压信息叠加到 Vcomp

保证在计算 Ton 和 Tdcm 时

采用的 Vcomp 电压仅仅代表输入功率而已

输入电压没有关系

接下来这一页 PPT 主要介绍了

UCC28056 的一个比较重要的功能

该功能是输出电压的运放

使用的是非线性运放

当输出电压与基准的误差超过 3%

那么这个非线性运放的增益

提高到原来的六倍

这样的非线性增益

可以在负载动态情况下

更加快速地对环路补偿电路

进行充电和放电

这样就能保证 UCC28056

有非常好的动态响应

本页介绍了 UCC28056 的保护功能

其中 OCP1 是主要周期的过流保护

它会中断当前的开通时间

OCP2 是用于电感电流连续的保护

Ovp2 是独立的第二种方式的过压保护

Brown-in 功能保证该芯片

必须在高于 85V 才能启动

VCC UVLO 则保证 MOS 管驱动

总是有足够的电平来驱动 MOS 管

防止驱动过低导致 MOS 管工作在线性区域

OTP 是芯片的过温保护功能

当芯片的结温超过 TTSD-R 时

芯片自动关闭驱动芯片来保护芯片

上图中标示红色的两个保护

会维持一秒再尝试重启

从右边这个图也可以看出

其中 ZCD 这个 pin 脚集成了四个保护

下面简单介绍一下 UCC28056

在负载变化过程中

是如何提轻载效率的

是如何提轻载效率的

满载情况下因为导通损耗占主导

因此 UCC28056 总是工作在临界模式

随着负载的减轻

开关上升来保证 UCC28056

还工作在临界的模式

再进一步降低负载

UCC28056 会进入 DCM 模式

TDCM 的计算可以保证电源的效率达到最优

在这个阶段 MOS 管处于谷底开通

减少了一部分开关损耗

如果负载再进一步减少

UCC28056 就会进入间歇模式

进一步减小有效的开关频率

这一页阐述了 UCC28056

工作在 DCM 模式下的谷底开通的波形

一旦进入 DCM

MOS 管总是在 Vds 电压谷底进行开通

减小了开通损耗

提高了轻载的效率

我们可以通过更改 MOS 管的

GS 两端并联电阻

来改变 MOS 管的开通的延迟

从而来优化 MOS 管在谷底哪个位置进行开通

下图罗列的这两个图表

分别是 115 伏输入和 230 伏输入情况下

UCC28056 与安森美的 NCP1608

在整个负载范围内的效率对比

可以看出因为在重载下

两个芯片都工作在 CRM 模式

因此重载下的效率基本上是相当的

但是从轻载效率来看

UCC28056 由于使用了 DCM 和间歇模式

使得在轻载下的效率相比 NCP1608

有非常明显的提升

下面这个表格对比了

NCP1608 和 UCC28056 在待机功耗上的对比

可以看到 UCC28056

在待机功耗上的优势非常明显

为了能满足 COC Tier2 和 DOE 的标准

这个这个标准是整个电源的待机功耗

不能超过 150 毫瓦

因此在待机状态下

UCC28056 可以一直开通 而不需要关闭

这样可以减小系统的成本

包括关闭 PFC 的光耦

这样可以减小系统的成本

包括关闭 PFC 的光耦

同时可以保证系统在退出待机模式下

具有更快的系统响应速度

同样的 PFC 不关机

母线电压范围比较固定

对 DC-DC 的设计也会变得更加容易

下面这一页简单介绍了

UCC28056 在不需要使用辅助绕组

来采集 ZCD 信号所带来的好处

我们刚才也提到了

ZCD pin 脚的主要功能有如下四个

过零检测

电感电流采样

输入电压检测

第二级的过压保护

这样对客户可以有如下的好处

因为辅助绕组需要手工绕制

因此可以降低成本

第二在 PCB Layout 上变得更加容易

在一些低功率的场合减少客户定制磁芯

可以加快设计的速度

接下来我们介绍 UCC28056

在音频噪声上的表现

现在很多的音频噪声

都来源于 Burst Mode 阶段

或者是在 DCM 模式下

当期望过程从第一个谷底到第二个谷底

切换的时候也会导致音频噪声

那么 UCC28056 在 Burst Mode 阶段

使用软开软关的方式来减少音频噪声

同时 UCC28056

采用固定的 TDCM 方式来确保

DCM 时间在一个线电压周期保持不变

同时加入回差保证 DCM

不会轻易地从一个谷底向其它谷底变化

这两个措施都保证了 UCC28056

拥有最好的音频噪声的表现

下面这个表格罗列的是业界主流的

单向 CRM 模式的 PFC 芯片

分别有 TI 的 UCC28056

NXP TEA19162

安森美的 NCP1612

仙童的 FAN6961

以及 Sanken 的 SSC2016S

MPS 的 MP44014x

以及 ST 的 L6562

我们通过下面的这几个维度来进行对比分析

它们来对比分析

分别为 PFC 是否具有的 DCM 工作模式

是否有 Burst Mode

和降低芯片供电电流消耗

是否具有非线性运放来加快动态响应

pin 脚的数量

是否有输入线电压前馈

是否有两级 OCP 保护

精准的谷底开通延迟是否可调

我们可以看出其它芯片的厂家

或多或少都有一些功能无法实现

但是 UCC28056 都满足了这些要求

关于 UCC28056 的介绍就到这

谢谢大家