摘 要：在介绍NCP1603主要特性的基础上，重点介绍了采用NCP1603的19V/8A AC-DC变换器设计。
关键词：NCP1603；PFC/PWM控制IC；AC-DC适配器；设计

1. 引言
美国安森美公司（Onsemi.com）新发明的PFC/PWM二合一控制IC，适合于用作设计直到250W的高功率因数、高性能和高可靠离线电源。其典型应用包括TV和监视器开关电源及AC-DC适配器。
功率因数校正（PFC）之所以不可忽视，是由于它正在成为全球性的强制规定，并且不再只限于大功率设备，更新的标准及规范已运用到75W和26W功率的电子产品及照明电器中。
NCP1603是将NCP1601型PFC控制器和NCP1230型PWM控制器集成在同一芯片上的组合型IC。用其设计电源变换器，可以简化设计，减少元件数量，节省PCB面积，缩短设计周期。

2. NCP1603组合控制IC的主要特点
NCP1603集成了高压启动电路，具有低待机无载功率消耗。因其第二级仅为DC-DC变换器，这种PFC/PWM控制器也称作PFC/DC-DC控制器。NCP1603中的PFC控制器（即NCP1601）是一种在AC线路跨零附近工作在不连续导电模式（DCM），而在AC线路电压峰值附近工作在临界模式（CRM）的升压拓扑。NCP1603提供零电压开关（ZVS），在升压二极管中有较低的功率损耗。DCM限制最高开关频率，使EMI滤波器简化；CRM限制MOSFET、电感器和升压二极管上的最大电流应力。NCP1603的PWM电路是一个固定频率PWM电流模式CCM或DCM回扫拓扑，提供跳越周期能力。表1所列为NCP1603组成的电源特点。
表1 基于NCP1603的电源特点

NCP1603采用16引脚SO封装，引脚排列如 图1 所示。
表2所列为NCP1603的各个引脚功能。

3. 基于NCP1603的19V/8A AC-DC变换器电路与设计
由NCP1603组成的90~260Vac通用输入、19V/8A输出的电源电路如图2所示。该变换器在90~260Vac输入电压下，功率因数高于0.95（在220Vac下，功率因数为0.982），AC输入电流总谐波失真（THD）可低于10%，无载待机功耗小于0.2W，效率高于81%。

3.1 电路组成
在图2所示的电路中，IC1（NCP1603）脚5至脚12内部PFC控制器与外部升压电感器L1、PFC开关Q1（MOSFET）、升压二极管D5和升压电容C4/C5等元件，组成PFC升压变换级电路。R1和R2是PFC级的电流感测电阻，R3、R4和R5是PFC级反馈电阻。IC1脚2、脚3、脚4和脚13、脚14内部PWM控制器及外部PWM开关Q2、PWM电流传感电阻R11/R12、回扫变压器T2和光耦器IC3等元件，组成DC-DC PWM级变换器电路。PFC输出DC总线电压（380V）直接加至IC1的16脚，实现IC1无损耗启动。T2的偏置绕组与D8、D15和C6组成辅助电源，为IC1的14脚供电。

3.2 电路设计步骤
第一步：确定技术规格
电路技术条件如表3所列。
表3 技术条件

PFC变换器输出电压反馈电阻，最大过电压保护电流门限Iovp=225，反馈输入（9脚）最大偏移电压为5V，故最大过电压保护门限电平为：
PFC输出电容C4和C5的耐压可为450V。
PFC升压拓扑要求输出电压必须高于最高峰值AC输入电压，即

在200的反馈电流上反馈脚有一个4V的偏移，因此输出电压应设置在：

在选择PFC与PWM同步操作时，为与PWM频率匹配，PFC工作频率在DCM应选择100KHz左右。根据IR公司提供的定时电容（COSC）与振荡器频率（fosc）之间关系曲线，当IC1脚5与地之间的电容C16（COSC）为100PF时，在DCM下的工作频率f=107KHz，周期T=1/f=9.33。
第二步：设定变换器效率与损耗
变换器由两级组成，设每级效率为90%，系统总效率=90%×90%=81%，输入功率为：

由图3可知，在PFC级功率损耗19W，在PWM级功率损失17W。PFC输出功率为169W，在本设计中选择180W。
第三步：PFC级设计
（1）计算电流应力
PFC级输出功率Pout按180W计，输入功率为：

在最低AC线路电压下，有最大的输入电流：

在CRM下的最大峰值电流IPK为AC输入电流峰值的2倍：

该电流应力影响电流感测电阻、MOSFET、升压二极管和升压电感器的选择。
（2）电感器设计
在CRM工作要求L1的最小电感值为：

可以选择电感值L=180。在L=180下，在正弦峰值电流上的工作频率为：

（3）斜坡电容C15的选择
NCP1603脚12内部的充电电流Ich=100，C15容值为：

因此，可以选择C15=1nF.
在最高和最低AC线路电压下，IC1脚10上的控制电压分别为：


（4）计算最高和最低AC线路电压下的PFC输出电压
在常态下，PFC输出电压Vout=380V。在200的反馈电流（IFB）下，有一个4V的偏移。
在260V的AC输入下，PFC输出电压为：
Vout（H）=（Vout-4V）×（1-0.04×V10(H)）+4V
=（380V-4V）×（1-0.04×0.11V）+4V
=378.40V
在90V的AC输入电压下，PFC输出电压为：
Vout（L）=（Vout-4V）×（1-0.04×V10(L)）+4V
=（380V-4V）×（1-0.04×0.89V）+4V
=366.63V
（5）检查开关周期
在260V的AC输入电压下，开关周期为：

在90V的AC输入电压下，开关周期为：

由于在CRM的开关周期（t(H)及t(L)）均大于DCM的开关周期（9.33），从而可以保证NCP1603在CRM和DCM两种模式下工作。
（6）电流感测电阻设计
NCP1603脚11外部电阻R7=Rs1通常设定在1，电流感测电阻RCS1为R1与R2之并联值。IC1脚11上的偏移电压VS1（OCP）=3.2mV，当通过R7的电流IS1大于IS1（OCP）=200时，则达到过电流保护（OCP）电平I（OCP）=IPK=6.29A。Rcs1值为：

可以选择Rcs1=25，R1=R2=0.05。在此情况下，最大电流限制电平为：

第四步：PWM级电路设计
对于固定频率PWM回扫计算可以参考NCP1230的应用电路设计，原因在于NCP1603的PWM控制器与NCP1230是一样的。为了有一个低待机功耗，PWM回扫电路应当总是工作。PWM回扫电路的DC输入电压范围，可以设置在100V到420V。在回扫电路设计中，由于变压器T2的匝数比是可变的，具体设计是一个反复处理和平衡的过程。在设计中必须考虑的参数和因素如下：
（1）最大占空比：NCP1603的PWM电路的最大占空比为85%（最小占空比是75%），这是第一个约束条件。
（2）最小占空比：当IC脚2（FB2）上电压VFB2<0.75V时，进入跳越模式，相应的占空比小于20%。当VFB2=3V时，占空比为80%。当PFC导通和电路交付满功率时，PWM回扫有一个最小占空比。
（3）最大MOSFET电压应力：商品化MOSFET耐压通常达800V，这是另一个约束条件。
（4）最大输出二极管阻塞电压：输出电流为8A，会产生较大的导通损耗。当8A的电流通过二极管并且工作在100%占空比时，每100mV的电压降落将产生800mW的损耗。因此，在可能情况下，二极管导通压降愈小愈好。
此外，通过选择最大峰值电流和电感，影响工作模式（CCM或DCM），可确定最大输入功率或输出功率。
因受篇幅所限，在此省略计算过程。计算结果如下：
输出电压：19V；
输出电流：8A；
输出二极管压降：1V；
变压器（T2）匝数比（n1/n2）：5.58；
最大峰值开关电流：4A；
变压器初级电感（LP）：420；
占空比（在Vin=420Vdc和连续模式下）：21%；
占空比（在Vin=100Vdc和连续模式下）：53%。
由于IC脚3（CS2）上的门限电压为1V，最大峰值开关电流ID（PK）=4A，故RCS2为：
RCS2=1V/ID（PK）=1V/4A=0.25
RCS2可由R11与R12并联而成，并且R11=R12=0.5。
回扫变压器T2采用TDK42EC-U16磁心，初级电感LP=420±10%，漏感不大于6.5，初级、次级和辅助绕组匝数比为：n1∶n2∶n3=5.58∶1∶0.79。
为附加输出过电压保护（OVP）功能，设置了光耦器IC2。在没有出现输出过电压时，IC2不影响系统正常工作。在出现输出过电压情况时，光耦晶体管导通，使IC1脚3（CS2）上的电压升高到1V的门限电平以上，IC1脚13（out2）上的输出被禁止，Q2关断。
当不连接R14和R21不连接时，PFC与PWM电路不同步。当连接R14和R21时，PFC与PWM电路同步化。

3.3 测试结果
表4所列为在PFC与PWM电路同步下的实测结果。
表4 实测结果

电路提供优良的无载待机性能，待机功耗小于200mW（在220Vac输入下的输入功率仅145mW）。

4. 结束语
NCP1603是一种先进的PFC/PWM组合控制器。其PFC控制器工作在DCM和CRM两种模式，DCM限制AC线路过零附近的最大开关频率，CRM限制AC线路电压峰值处的最大电流（峰值电流为AC平均电流的2倍）。NCP1603中的PWM控制器，是一种100KH2固定频率PWM电流模式CCM或带跳越周期的DCM回扫拓扑。基于NCP1603的150W电源变换器，仅需用少量元件，即可获得高功率因数、低THD、高频率和低无载待机功率消耗。

参考文献：
[1] Onsemi.com, NCP1603 PFC/PWM Combo Controller with Integrated High Voltage Startup and Soft Skip Mode Standby Features Data Sheet [z] .2004(12)
[2] 毛兴武，利用新型控制器NCP1601的100W PFC升压预调节器原理与设计，电源技术应用，2005（5）。

作者简介：
韩广伟（1973-），临沂师范学院物理系统讲师，在读硕士，主要从事电子信息技术教学与科研工作。