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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)
摘要：ICE1QS01是一種支持低功率待機(jī)和功率因數(shù)校正（PFC）的開關(guān)電源準(zhǔn)諧振控制器。介紹了ICE1QS01的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：準(zhǔn)諧振控制器；ICE1QS01；反激變換器；設(shè)計(jì)
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)字抗抖動電路可以消除過零信號的連續(xù)跳動，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。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的啟動電流僅約50μA，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，引腳排列如圖1所示。表1列出了各引腳的功能。
表1引腳功能
引腳
符號
功能簡述
1
N.C
未連接
2
PCS
初級電流模擬（simulation）輸入
3
RZI
調(diào)整與過零信號輸入
4
SRC
軟啟動和調(diào)整電容器連接端
5
OFC
過電壓故障比較器輸入
6
GND
地
7
OUT
MOSFET柵極驅(qū)動器輸出
8
VCC
電源電壓施加端
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。
在腳RZI內(nèi)部，門限電平5V和4.4V的比較器用于初級調(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的中央是軟啟動和通—斷（on－off）觸發(fā)器。軟啟動觸發(fā)器通過通—斷觸發(fā)器的上升沿（并利用沿檢測器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14.5V和9V的欠電壓比較器。IC腳PCS內(nèi)部電阻R2連接一個(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1.5V。當(dāng)進(jìn)入PCS腳的電流低于100μA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。該輸出信號經(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。
IC腳SRC內(nèi)部的電流源CS1為SRC腳外部電容器提供500μA的放電電流。與CS1并聯(lián)的電流源CS2，通過軟啟動觸發(fā)器激活。CS2的電流通過50ms定時(shí)器控制逐步改變，以此為軟啟動產(chǎn)生上升的調(diào)節(jié)電壓。
一個(gè)20kΩ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4.4V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/DOWN）計(jì)數(shù)器的寄存數(shù)決定變壓器退磁后的過零信號數(shù)。過零信號計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸入過零信號，并由一個(gè)比較器檢測和放大。只要過零計(jì)數(shù)器存儲數(shù)與加/減計(jì)數(shù)器存儲數(shù)相等，比較器就發(fā)送一個(gè)輸出信號至接通時(shí)間觸發(fā)器，從而使功率MOSFET導(dǎo)通。為避免抖動，加/減計(jì)數(shù)器的存儲數(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VSRC<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）。
圖2
2應(yīng)用與設(shè)計(jì)
2.1應(yīng)用實(shí)例與電路簡析
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AC90～264V，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。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。在激活內(nèi)部突發(fā)模式比較器后，柵極驅(qū)動輸出（OUT）切換到低電平，Vcc關(guān)閉門限由正常模式下的9V增加到14.5V。在突發(fā)模式期間，MOSFET導(dǎo)通時(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率。
圖3
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η（通常取80％），最大輸入功率Pin(max)為
Pin(max)=Pout(max)/η（1）
在最低AC線路電壓VAC(min)下，SMPS初級平滑電容器（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。
在最高AC線路電壓VAC(max)（如264V）下，初級電容器上的最高DC電壓VDC(max)為
式中：Fcp為在初級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。
通過初級繞組的最大平均電流IP(max)可由式（4）計(jì)算。
IP(max)=Pin(max)/VDC(min)（4）
變壓器初級繞組匝數(shù)Np的計(jì)算公式為
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為初級繞組過沖因數(shù)，當(dāng)不帶PFC時(shí)，F(xiàn)os=1.3，當(dāng)帶PFC時(shí)，F(xiàn)os=1.8；
磁芯有效截面積Ae和參量AL，可以從根據(jù)Pin(max)選擇的變壓器提供的數(shù)據(jù)中查得。
每匝次級電壓Vts為
Vts=[Vd(max)-Vdc(max)]/NpFos（6）
MOSFET的最大漏極電流Id(max)為
MOSFET最大導(dǎo)通時(shí)間ton(max)和最大截止時(shí)間toff(max)分別可用式（8）和式（9）計(jì)算。
SMPS最低自由振蕩（freerunnign）頻率為
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100μA時(shí)，內(nèi)部主線欠壓保護(hù)電路啟動。在電容C07上的最低DC電壓VDC(min)根據(jù)式（2）取114V，于是R22=1.14MΩ，可取1MΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻。
當(dāng)R22選定之后，電容C22可根據(jù)式（11）計(jì)算。
C22=VDC(min)ton(max)/(R22×3.5V)（11）
2）腳3（RZ1）外部電阻R38，R29與電容C29
R38的計(jì)算公式為
R38=VDC(min)Nr/(Np×0.5mA)（12）
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=57kΩ，可?取56kΩ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，考慮到初級和次級調(diào)節(jié)，R29可根據(jù)式（13）和式（14）確定。
R29=R38/〔(15V/5V)－1〕（13）
R29=R38/〔(15V/4V)－1〕（14）
在R38=56kΩ下，R29取值范圍為20～28kΩ。
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MOSFET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)整尤其是初級調(diào)整的速度，但不影響軟啟動速度（原因是內(nèi)部數(shù)字軟啟動電路被激活）。C28通常選取1．5～10nF的容值。
4）腳7（OUT）外部MOSFET柵極電阻R35
選擇R35=33～100Ω，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33μF（25V）即可。若C26過大，啟動時(shí)間過長，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)頻率，取值范圍為0～50Ω。R37充當(dāng)射頻濾波元件并對Vcc起穩(wěn)定作用，取值范圍為0～100Ω。
ICE1QS01腳5（OFC）不用接地。
3結(jié)語
ICE1QS01是一種被優(yōu)化的新型準(zhǔn)諧振控制器，其采用的適合于低端電視的低成本初級調(diào)節(jié)可以確保SMPS安全、可靠和有效地工作。這種調(diào)節(jié)技術(shù)因無須被隔離的次級反饋環(huán)而降低了成本。為了滿足低待機(jī)的需要，此IC特別增加了間歇模式和采用了獨(dú)特的數(shù)字式減頻特性的技術(shù)，消除了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的抖動和支持穩(wěn)定的輸出電壓。
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