新型反激變換器準(zhǔn)諧振控制器ICE1QS01及其應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)

1、新型反激變換器準(zhǔn)諧振控制器ICE1QS01及其應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)    0引言 ICE1QS01是英飛凌公司推出的一種輸出功率范圍從1W到300W，帶或不帶功率因數(shù)校正（PFC）的反激式變換器控制器。該控制器IC工作在準(zhǔn)諧振模式，典型應(yīng)用包括TV，VCR，DVD播放機(jī)，衛(wèi)星接收機(jī)和筆記本電腦適配器等。 為了在輕載下降低功率消耗，ICE1QS01隨著負(fù)載的減小，其開關(guān)頻率逐步數(shù)字式地降至20kHz的最低值。同時(shí)，隨頻率降低保持準(zhǔn)諧振模式。在從滿載到空載的整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，能夠平穩(wěn)工作。當(dāng)工作頻率降低時(shí)，IC的數(shù)字抗抖動(dòng)電路可以消除過零信號(hào)的連

2、續(xù)跳動(dòng)，尤其是可以避免電視機(jī)中因偏轉(zhuǎn)引起的負(fù)載連續(xù)變化產(chǎn)生的抖動(dòng)。為了減小功率MOSFET的開關(guān)應(yīng)力，功率晶體管總是在最低的電壓上接通。電壓調(diào)整既可利用內(nèi)部誤差放大器，也可利用外部光耦合器。由于采用新的初級(jí)調(diào)節(jié)方法，在變壓器控制繞組與控制輸入之間的外部整流電路，可用一個(gè)電壓分配器來取代。在待機(jī)模式下，IC自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式，待機(jī)輸入功率遠(yuǎn)低于1W。保護(hù)功能包括Vcc過壓/欠壓鎖定，主線電壓欠壓關(guān)斷和電流限制等。ICE1QS01的啟動(dòng)電流僅約50A，它是一種低功耗綠色SMPS芯片。 1芯片的封裝與電路組成及其功能與工作原理 ICE1QS01采用P-DIP-8-4封裝，引腳排列如

3、圖1所示。表1列出了各引腳的功能。  ICE1QS01芯片主要由比較器，觸發(fā)器和數(shù)字處理電路組成，具體如圖2所示。 在圖2所示的電路中，左上角部分為折彎點(diǎn)（foldbackpoint）校正單元。該部分電路的功能是在MOSFET導(dǎo)通期間，從腳RZI流出一個(gè)電流，電流源CS4提供的0.5mA的電流被扣除，所得到的電流I4乘以0.2（即為I3），被饋送到IC的PCS腳，從而增加PCS腳外部電容的充電電壓斜率。當(dāng)AC線路電壓升高時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間縮短，最大輸出功率保持不變。主線電壓通過Vcc偏置繞組并經(jīng)連接在腳RZI上的一支電阻來檢測(cè)。 在腳RZI內(nèi)部，

4、門限電平5V和44V的比較器用于初級(jí)調(diào)整，門限電平1V和50mV的比較器分別是振鈴抑制時(shí)間比較器和過零信號(hào)比較器。 在圖2的右上角是計(jì)數(shù)器、定時(shí)器和比較器組成的數(shù)字頻率降低電路以及反相輸入端為VRM=4.8V與VRH=4.4V并帶VRH鎖定的比較器和反相輸入端VRL=3.5V并帶VRL鎖定的比較器。 在圖2的中央是軟啟動(dòng)和通斷（onoff）觸發(fā)器。軟啟動(dòng)觸發(fā)器通過通斷觸發(fā)器的上升沿（并利用沿檢測(cè)器ED1）置位。通斷觸發(fā)器通過反相輸入端15V的比較器（圖2左下方）置位。該比較器上面是20V的Vcc過電壓比較器，下面是145V和9V的欠電壓比較器。IC腳PCS內(nèi)部電阻R2連接一

5、個(gè)開關(guān)，該開關(guān)由一個(gè)與門輸出控制，與門的輸入來自通斷觸發(fā)器的輸出。在開關(guān)接通時(shí)，腳PCS外部電容放電到15V。當(dāng)進(jìn)入PCS腳的電流低于100A時(shí)，在主線欠電壓比較器輸出產(chǎn)生一個(gè)低電平輸出信號(hào)。該輸出信號(hào)經(jīng)一個(gè)與門和或門電路置位脈沖鎖定觸發(fā)器，與門的另一個(gè)輸入是接通時(shí)間觸發(fā)器的反相輸出。位于圖2中間下方的是突發(fā)觸發(fā)器和脈沖鎖定觸發(fā)器。突發(fā)觸發(fā)器由IC腳SRC內(nèi)的2V比較器輸出置位。突發(fā)觸發(fā)器的輸出，連接到脈沖鎖定觸發(fā)器的置位輸入。脈沖鎖定觸發(fā)器的輸出，影響接通時(shí)間觸發(fā)器的復(fù)位輸入。接通時(shí)間觸發(fā)器的輸出，連接到IC腳OUT內(nèi)的輸出緩沖器。脈沖鎖定觸發(fā)器也可由20V的過電壓比較器置位。 I

6、C腳SRC內(nèi)部的電流源CS1為SRC腳外部電容器提供500A的放電電流。與CS1并聯(lián)的電流源CS2，通過軟啟動(dòng)觸發(fā)器激活。CS2的電流通過50ms定時(shí)器控制逐步改變，以此為軟啟動(dòng)產(chǎn)生上升的調(diào)節(jié)電壓。 一個(gè)20k的上控電阻R1下端在內(nèi)部連接到SRC腳，上端通過開關(guān)連接到5V的參考電壓。該開關(guān)由一個(gè)觸發(fā)器的輸出控制，該觸發(fā)器通過接通時(shí)間觸發(fā)器的輸出下降沿置位，以產(chǎn)生振鈴抑制時(shí)間。接通時(shí)間觸發(fā)器由過零信號(hào)經(jīng)過一個(gè)與門復(fù)位，該與門的另一個(gè)輸入是下部第二個(gè)觸發(fā)器的輸出。當(dāng)RZ1腳上的脈沖高度超過44V的門限時(shí)，第二個(gè)觸發(fā)器置位。 在圖2右上部的數(shù)字頻率減小電路中，4位加/減（UP/D

7、OWN）計(jì)數(shù)器的寄存數(shù)決定變壓器退磁后的過零信號(hào)數(shù)。過零信號(hào)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸入過零信號(hào)，并由一個(gè)比較器檢測(cè)和放大。只要過零計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)數(shù)與加/減計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)數(shù)相等，比較器就發(fā)送一個(gè)輸出信號(hào)至接通時(shí)間觸發(fā)器，從而使功率MOSFET導(dǎo)通。為避免抖動(dòng)，加/減計(jì)數(shù)器的存儲(chǔ)數(shù)僅在50ms定時(shí)器確定的每個(gè)50ms周期之后加1或減1改變，這種變化取于VRH和VRL鎖存狀態(tài)。如果兩個(gè)鎖存處于低態(tài)，計(jì)數(shù)器增加1。如果僅VRL鎖定置位，加/減計(jì)數(shù)器仍不變化。如果VRL和VRH被置位于高電平，加/減計(jì)數(shù)器減少1。在此之后VRH與VRL鎖定被復(fù)位。在接下來的50ms內(nèi)，VRH與VRL鎖存將再次置位。當(dāng)IC腳SRC上電壓VSR

8、C<3.5V時(shí)，VRL鎖定置位，加/減計(jì)數(shù)器加1；當(dāng)VSRC>4.4V時(shí)，VRH鎖定置位，加/減計(jì)數(shù)器減1。在一個(gè)大的負(fù)載跳躍這后，為能迅速調(diào)節(jié)到最大的功率電平上，只要VSRC>4.8V時(shí)，加/減計(jì)數(shù)器被置位到1（0001）。 2應(yīng)用與設(shè)計(jì) 2.1應(yīng)用實(shí)例與電路簡(jiǎn)析 圖3是由ICE1QS01作控制器的200W高端電視機(jī)SMPS電路。該電路輸入AC90264V，4路輸出電壓/電流分別為135V/0.75A，30V/1.2A，15V/0.5A和7V/1.2A。 連接于橋式整流器輸出與大容量濾波電容C07之間線路上的電感器L08，二極管D08

9、以及在D08正極與功率開關(guān)S01漏極之間的電容C08，組成PFC電荷泵電路。其作用是與輸入端EMI濾波器一起，可在橋式整流器輸入端產(chǎn)生正弦波電流。ICE1QS01內(nèi)集成低功率待機(jī)突發(fā)模式電路，可使待機(jī)輸入功率低于1W。在負(fù)載減小時(shí)，利用集成數(shù)字處理電路能使開關(guān)頻率逐步降低，并不產(chǎn)生任何抖動(dòng)。當(dāng)待機(jī)開關(guān)S1斷開時(shí)，參考二極管D60導(dǎo)通，輸出電壓V2調(diào)節(jié)值由齊納二極管D61確定。當(dāng)ICE1QS01腳4上的VSRC低于2V時(shí)，集成在芯片上的突發(fā)模式電路啟動(dòng)。在激活內(nèi)部突發(fā)模式比較器后，柵極驅(qū)動(dòng)輸出（OUT）切換到低電平，Vcc關(guān)閉門限由正常模式下的9V增加到145V。在突發(fā)模式期間，MOSFET導(dǎo)通

10、時(shí)間至少為其最大導(dǎo)通時(shí)間的1/7。在突發(fā)之間的中斷時(shí)間（tbreake）縮短，輸出紋波通過跨越在AC主線輸入與二極管D26和D27接點(diǎn)之間的電容C21的一個(gè)附加充電電流而降低。 二極管D62為正常模式與待機(jī)突發(fā)模式之間的過渡狀態(tài)而加入。當(dāng)待機(jī)開關(guān)S1閉合但輸出V2已經(jīng)無載時(shí)，加入D62可保證在突發(fā)模式下的正常周期。當(dāng)V2變低時(shí)，參考二極管D60被關(guān)斷。 ICE1QS01腳3外部電阻R38和R29充當(dāng)變壓器脈沖的分壓器，腳3上的脈沖幅度約為4V。電容C29用作減小變壓器過沖。其腳2與DC干線電壓之間的電阻R22決定欠電壓鎖定門限。R22與電容C22相結(jié)合，可固定最大可能輸出功

11、率。 2.2主要元件選擇 2.2.1變壓器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在圖3所示的應(yīng)用電路中，變壓器T1的參量已基本標(biāo)明。在此僅簡(jiǎn)要敘述變壓器的計(jì)算公式。 首先，必須計(jì)算SMPS最大輸入功率。若SMPS最大輸出功率為Pout(max)，效率為（通常取80），最大輸入功率Pin(max)為 在最低AC線路電壓VAC(min)下，SMPS初級(jí)平滑電容器（如圖3中的C07）上的DC電壓VDC(min)為 式中：Fhum=0.9，為初級(jí)電容器上100Hz電壓紋波系數(shù)； VAC(min)在通用寬范圍AC供電線路下，通常為85V或90V。 在最

12、高AC線路電壓VAC(max)（如264V）下，初級(jí)電容器上的最高DC電壓VDC(max)為VDC(max)=VAC(max)Fcp（3） 式中：Fcp為在初級(jí)電容器上的過電壓因數(shù)，當(dāng)SMPS不帶PFC時(shí)，F(xiàn)cp=1；若SMPS帶PFC，F(xiàn)cp=1.1。 通過初級(jí)繞組的最大平均電流IP(max)可由式（4）計(jì)算。 式中：Vd(max)=600V，為MOSFET允許最高漏極電壓； Bmax=300mT，為變壓器磁芯最大允許磁通密度； Fos為初級(jí)繞組過沖因數(shù)，當(dāng)不帶PFC時(shí)， MOSFET最大導(dǎo)通時(shí)間ton(max)和最大截止時(shí)間tof

13、f(max)分別可用式（8）和式（9）計(jì)算。 如果SMPS最低頻率fmin<20kHz，即進(jìn)入可聞音頻范圍，應(yīng)根據(jù)式（5）重新計(jì)算，Bmax取一個(gè)較低的值。 2.2.2ICE1QS01各引腳外部主要元件的選擇考慮 對(duì)于圖3所示的應(yīng)用電路，IC1（ICE1QS01）各引腳外部主要元件的選取依據(jù)如下。 1）IC1腳2（PCS）上的電阻R22與電容C22當(dāng)流入腳2的電流低于100A時(shí)，內(nèi)部主線欠壓保護(hù)電路啟動(dòng)。在電容C07上的最低DC電壓VDC(min)根據(jù)式（2）取114V，于是R22=1.14M，可取1M標(biāo)準(zhǔn)電阻。 當(dāng)R22選定之后，電容C

14、22可根據(jù)式（11）計(jì)算。 式中：Nr為變壓器（T1）調(diào)節(jié)繞組匝數(shù)。 當(dāng)選取VDC(min)=114V，Nr=7匝和Np=28匝時(shí)，R38=57k，可選取56k標(biāo)準(zhǔn)電阻。 R29與R38組成調(diào)整繞組感應(yīng)電壓的分壓器。調(diào)整繞組感應(yīng)電壓（正值）為15V，考慮到初級(jí)和次級(jí)調(diào)節(jié)，R29可根據(jù)式（13）和式（14）確定。  在R38=56k下，R29取值范圍為2028k。 電容C29的計(jì)算公式為 C29=1000ns/R38（15） 據(jù)此，C29可選擇22PF的陶瓷電容器。適當(dāng)選擇C29可在腳3得到令人滿意的電壓波形，保證M

15、OSFET在最小的漏極電壓上導(dǎo)通。 3）腳4（SRC）上接地電容C28 接電容影響調(diào)整尤其是初級(jí)調(diào)整的速度，但不影響軟啟動(dòng)速度（原因是內(nèi)部數(shù)字軟啟動(dòng)電路被激活）。C28通常選取1510nF的容值。 4）腳7（OUT）外部MOSFET柵極電阻R35 選擇R35=33100，在MOSFET功率耗散與射頻噪聲（EMI）之間提供較理想的折衷方案。 5）腳8（VCC）外部阻容元件 電容C26容量選取33F（25V）即可。若C26過大，啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，并且突發(fā)頻率較低。C27充當(dāng)射頻濾波電容，可選取C27=100nF。 電阻R26可用于增加突發(fā)頻