采用CCM PFC控制器ICE2PCS02的300W PFC評估板介紹

1、采用CCM PFC控制器ICE2PCS02的300W PFC評估板介紹2007-11-19      嵌入式在線      收藏 | 打印       本文將介紹一款采用英飛凌第二代連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM) PFC控制器ICE2PCS02的300W功率因素校正(PFC)電路。ICE2PCS02采用了BiCMOS技術(shù)，使用很少的外圍元件即可滿足PFC應(yīng)用的全部要求。       為提高功率轉(zhuǎn)換效率，這

2、款升壓型PFC電路中使用了CoolMOSTM C3系列器件和高壓碳化硅(SiC)肖特基二極管thinQ!TM。        英飛凌第一代CCM PFC控制器ICE1PCS01/02就是一款很受市場歡迎的CCM PFC產(chǎn)品，而采用Bi-CMOS技術(shù)的第二代ICE2PCS01/02又在第一代基礎(chǔ)上做了一些重要的改進。        第二代ICE2PCS01/02的內(nèi)部參考被調(diào)整到更低的3V，以確保精確的保護與控制水平。此外，它的優(yōu)點還包括VCC工作電壓范圍更寬、改良了內(nèi)部振蕩器

3、、新增了直接大電容過壓保護等。這些優(yōu)點將使其應(yīng)用性能更佳，設(shè)計更靈活。下面是一個典型的設(shè)計實例，該實例利用最少的外部元件達(dá)到了PFC應(yīng)用的所有要求。       線路輸入        ICE2PCS01/02的AC線路輸入端包括用作過流保護的輸入保險絲F1，用于濾除高頻電流紋波的R1、L1 和 CX1，用于抑制射頻干擾的扼流圈L2、X2型電容CX1和CX2以及Y1型電容CY1和CY2，以及用于限制每次上電時浪涌電流的串聯(lián)RT1。     

4、60;  功率級升壓型PFC轉(zhuǎn)換器        在橋式整流器BR1之后，就是由L3、Q1、D1 和C2組成的升壓型PFC轉(zhuǎn)換器。電源開關(guān)Q1用的是采用第三代CoolMOS技術(shù)的SPP20N60C3。BR1、Q1和碳化硅二極管 D1共用同一個散熱器，以保證系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量能均勻發(fā)散。輸出電容C2提供能量緩沖功能，用以將100Hz的輸出電壓紋波降低到可接受的水平。        升壓型轉(zhuǎn)換器的PWM控制      

5、60; 升壓型PFC轉(zhuǎn)換器的PWM控制由一塊8引腳的CCM PFC芯片ICE2PCS02實現(xiàn)。與傳統(tǒng)PFC控制器不同的是，ICE2PCS02并不直接需要正弦波參考信號。開關(guān)頻率是固定的65kHz，由芯片的內(nèi)部振蕩器提供。該電路中有兩個控制環(huán)路，一個是電壓環(huán)路，一個是電流環(huán)路。分壓器R5A、R5B、R6A和 R6B檢測到輸出電壓后，將其送至內(nèi)部的誤差放大器。誤差放大器的輸出又用于控制內(nèi)電流環(huán)的電流。補償網(wǎng)絡(luò)C4、C5和R7構(gòu)成誤差放大器的外部電路。該電路允許反饋匹配各種負(fù)載條件，因此能提供穩(wěn)定的控制。為了使電路不錯誤地響應(yīng)100Hz的紋波，電壓環(huán)路補償電路采用低帶寬技術(shù)實現(xiàn)。內(nèi)環(huán)，即電流控制環(huán)，

6、在實現(xiàn)時采用了平均電流模式策略。瞬時電流被調(diào)節(jié)到與MOSFET的斷電壓DOFF以及電壓環(huán)中誤差放大器的輸出電壓成正比的水平。分流電阻R2、R2A和R2B檢測到電流后，通過R9將其反送回芯片。芯片用一個內(nèi)部運放對檢測到的電流信號進行平均，然后在驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動電路的PWM發(fā)生器中進行處理。內(nèi)部運放對電流感應(yīng)信號的平均過程是通過對ICOMP管腳上外接的一個電容C7進行充放電實現(xiàn)的。        芯片由外部電壓源供電，并經(jīng)C8和C9濾波與緩沖。芯片的輸出柵極驅(qū)動器采用了快速圖騰柱柵極驅(qū)動。它內(nèi)帶交叉?zhèn)鲗?dǎo)電流保護裝置和一個齊納二極管以保護外部晶

7、體管開關(guān)不受意外過壓的損壞。選用柵極驅(qū)動電阻R4的目的是限制和門控脈沖電流，并驅(qū)動MOSFET實現(xiàn)快速開關(guān)。        軟啟動        當(dāng)Vcc腳的電平超過導(dǎo)通閾值(通常為11V)時，PFC就會啟動。這里采用的是獨特的軟啟動機制。輸入電流保持正弦并逐漸增大，直到輸出電壓達(dá)到額定值的80%。這樣，升壓二極管在大電流情況下就不會承受很大的二極管占空比壓力。        增強的動態(tài)響應(yīng)特性  

8、0;     由于PFC固有的低帶寬動態(tài)特性，在出現(xiàn)負(fù)載跳變的情況下整流電路將無法提供足夠快速的響應(yīng)，并導(dǎo)致輸出電壓陡增或陡降。為了解決PFC應(yīng)用中存在的這一問題，英飛凌公司在該芯片中增強了動態(tài)響應(yīng)性能。只要輸出電壓變化超過±5%，芯片就會跳過慢補償運放而直接啟用非線性增益模塊，從而有效改變占空比。這樣，輸出電壓就可以在短時間內(nèi)得以恢復(fù)。        保護特性        a. 輸入欠壓保護   

9、60;    ICE2PCS02最獨特的新特性是增加了一個專用的輸入欠壓檢測管腳VINS。VINS管腳通過檢測經(jīng)濾波后的輸入電壓分壓來發(fā)現(xiàn)輸入欠壓狀態(tài)。如果VINS檢測到的電壓低于0.8V，那么芯片的輸出將被關(guān)斷。只有當(dāng)VINS檢測到的電壓回升到1.5V后芯片才會被重新喚醒。需要注意的是，從欠壓保護狀態(tài)恢復(fù)時，芯片仍具備軟啟動特性。        b.開環(huán)保護        為了保護輸出，芯片還具備開環(huán)保護功能。只要VSENSE電壓下降到0.6V

10、以下，即相當(dāng)于VOUT降至額定電壓的20以下，就說明芯片處于開環(huán)狀態(tài)(也就是說VSENSE管腳沒有與外部電路連接)。此時，芯片中的大多數(shù)模塊都會被關(guān)斷，這是通過一個閾值電壓為0.6V的比較器實現(xiàn)的。        c. 輸出過壓保護        當(dāng)VOUT超過額定電壓的8%后，芯片的過壓保護OVP電路就被啟動。過壓保護是通過檢測VSENSE管腳上的電壓相對于3.25V參考電壓的差值實現(xiàn)的。只要VSENSE上的電壓超過3.25V，柵極信號就會被立刻阻斷。  

11、0;     d. 軟過流控制(SOC)和峰值電流限制        當(dāng)電流檢測電路得到的電壓幅度達(dá)到0.68V時，軟過流控制(SOC)就會啟動。SOC是一種軟控制方式，它不會直接關(guān)斷柵極驅(qū)動，而是通過控制內(nèi)部模塊達(dá)到減小PWM占空比的目的。        此外，芯片還提供一種周期性峰值電流限制(PCL)功能，該功能在電流檢測電路得到的電壓幅度達(dá)到1.04V時啟動。該功能啟動后，芯片的柵極輸出會在300ns的消隱時間之后立刻關(guān)斷。 &#

12、160;      e. 芯片供電的欠壓閉鎖        當(dāng)VCC電壓低于欠壓閉鎖閾值VCCUVLO(通常為11V)時，芯片的柵極驅(qū)動會被內(nèi)部拉低，從而將芯片的輸出保持在關(guān)斷狀態(tài)。此時芯片只消耗200uA的電流。         本文小結(jié)        本文介紹的300W PFC評估板是一個優(yōu)秀的設(shè)計范例，它達(dá)到了近似1的功率因素和低端超過92%、高端超過

13、98%的極高效率。該設(shè)計證明，ICE2PCS02是想要最少外部元件的PFC應(yīng)用的絕佳選擇。 圖1：評估板 圖2： 電路圖。  圖3：PCB版圖頂層圖4：PCB 版圖底層。 圖5 圖6 圖7 圖8 圖9 圖10 圖11 圖12 圖13 圖14 表1：技術(shù)規(guī)范。 表2 表3 采用BiCMOS技術(shù)的新一代CCM PFC控制器技術(shù)分類： 電源技術(shù)  | 2007-05-15 Luo Junyang，Liu Jianwei，Jeoh Meng Kiat，英飛凌科技股份公司ICE2PCS01/02屬于第二代連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）PFC控制器，采用BiCMOS技術(shù)制造而成。與第一代ICE

14、1PCS01/02相比，ICE2PCS01/02具備更低的內(nèi)部參考電壓（3V），能夠保證精確的保護和控制水平。另外該IC還具有其它一些優(yōu)勢，例如更寬的Vcc工作范圍，更好的內(nèi)部振蕩器和直接的大電容過壓保護功能。除了引腳 4以外，ICE2PCS02和ICE2PCS01 的其它引腳都一樣：在ICE2PCS01中，引腳 4用來設(shè)定開關(guān)頻率；但是在ICE1PCS02中，引腳 4用于AC欠壓檢測。ICE2PCS01/02專為升壓型轉(zhuǎn)換器而設(shè)計，只需要很少的外部元件。所有電流和電壓環(huán)路補償都是在外部實現(xiàn)的，從而允許用戶進行完全控制。電源電壓由于采用全新的BiCMOS技術(shù)，ICE2PCS01/02的電源電壓

15、的工作范圍從10V21V 擴展到11V26V，開啟的閾值電壓從11V提高到12V。門極輸出輸出門驅(qū)動器是一個快速的推挽式輸出門極驅(qū)動電路。它具有內(nèi)置的交叉導(dǎo)通電流保護功能。GATE引腳所能承受的最大電壓通常箝位在15V（上拉）。由于采用了最 新的BiCMOS技術(shù)，GATE下拉電壓從最大2V （ICE1PCS01/02）降低到最大1V（ICE2PCS01/02）。因為具有較低的GATE下拉電壓，外部MOSFET能夠快速地開關(guān)，從而降低了開關(guān)損耗，提高了效率。內(nèi)部振蕩器由于采用先進的BiCMOS技術(shù)，可以在沒有噪聲干擾的情況下對內(nèi)部振蕩器進行準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)。對于ICE2PCS02來講，開關(guān)頻率被固定在

16、65kHz（典型值）。對于ICE2PCS01來講，可以通過FREQ引腳上的外部電阻對開關(guān)頻率進行調(diào)節(jié)。采用大容量電容器進行電壓檢測和過壓保護通過Vsense引腳上的電阻分壓器對大電容兩端的電壓進行檢測。Vsense電壓發(fā)送至誤差放大器，并且與內(nèi)部參考源（用于電壓環(huán)路調(diào)節(jié)）進行比較。ICE1PCS01/02的內(nèi)部參考電壓為5V，ICE2PCS01/02的內(nèi)部參考電壓為3V。由于具有不同的內(nèi)部參考電壓，因此需要在ICE1PCS01/02 和 ICE2PCS01/02的解決方案中分別采用不同的電阻分壓器。 Vsense電壓還可以應(yīng)用到增強動態(tài)響應(yīng)模塊。ICE2PCS01/02 在Vout超過額定值+

17、5%的情況下，增強動態(tài)響應(yīng)模塊能夠?qū)⒄伎毡妊杆僬{(diào)整到零?？梢园言摴δ芸醋鱒out過壓保護。除了增強動態(tài)響應(yīng)模塊以外，ICE2PCS01/02還提供了額外的過壓（OVP）保護，這通過直接關(guān)閉門輸出來實現(xiàn)（當(dāng)Vout超過額定值+8%時）。除增強動態(tài)響應(yīng)模塊之外，直接OVP關(guān)閉功能進一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電流環(huán)路和電壓環(huán)路調(diào)節(jié)ICE2PCS01/02的基本工作原理與ICE1PCS01/02相同。ICE2PCS01/02采用級聯(lián)控制（即內(nèi)部電流環(huán)路和外部電壓環(huán)路）工作模式。IC的內(nèi)部電流環(huán)路控制平均輸入電流的正弦波形狀。外部電壓環(huán)路控制Vout并且調(diào)節(jié)平均輸入電流的幅度。PCB布局指南為了避免PCB

18、板上電源和信號路徑之間的串?dāng)_，并使IC GND引腳盡可能遠(yuǎn)離噪聲，需要對GND的PCB布局進行仔細(xì)斟酌。下面給出一些GND連接的建議，圖1給出了一個良好的PCB布局的例子。（1）主要功率級GND的連接規(guī)則：MOSFET源端、輸出負(fù)載GND、IC輔助電源GND和Rsense電阻的PCB走線之間需要進行隔離，并且都連接到大電容的負(fù)引腳。（2）小信號IC GND的連接規(guī)則：需要與小信號GND總線相連的IC外部元件以紅色高亮顯示。此GND總線連到IC GND引腳上。（3）主要功率級GND和小信號IC GND之間的連接：圖1中，單條PCB走線（粉紅表示）直接將IC GND引腳連到功率級的最佳連接點大容量電容的負(fù)端。這