STR-E1500系列PFC-DC-DC電源系統(tǒng)混合IC的特點(diǎn)及應(yīng)用

STR-E1500系列PFC/DC/DC電源系統(tǒng)混合IC的特點(diǎn)及應(yīng)用1、STR-E1500系列混合IC是Sanken電子公司生產(chǎn)的用于兩變換器電源系統(tǒng)的專用器件°STRE1500系列含有STR-E1555和STR-E1565兩個(gè)型號(hào)，它們在21引腳SLA封裝中內(nèi)置了單片IC和一個(gè)功率MOSFET。其中，單片IC集成了功率因數(shù)校正（PFC）預(yù)變換器和后置DC/DC變換器啟動(dòng)電路和控制器，功率MOSFET用作DC/DC變換器的開關(guān)。STR-E1555/STR-E1565適用于LCDTV、LCD監(jiān)視器、投影一TV和AC適配器等的開關(guān)電源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低輸入電流諧波失真，提供高效率和低EMI，并僅需用很少量的外圍元件，使設(shè)計(jì)簡化。1STR-E1555/STR-E1565的基本結(jié)構(gòu)和引腳功能STR-E1555與STR-E1565采用21引腳單列直插式封裝，殼體尺寸為31mm伊16mm伊4.8mm，引腳長度9.5mm，重5.6g。STR-E1555/STR-E1565在同一封裝內(nèi)集成了PFC控制器、PWM控制器、啟動(dòng)電路、保護(hù)電路及一個(gè)PWM級功率MOSFET，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1STR-EI555/STR-E1565的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖STR-E1555/STR-E1565的各個(gè)引腳功能如下所列。腳1（Startup）DC/DC（DD）和PFC部分的啟動(dòng)電流輸入端，該引腳直接連接DC總線；腳2（NC）不連接（無引線）；腳3（PFCout）PFC部分MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，輸出源電流為3001^，灌入電流為500mA；腳4（ZCS）PFC零電流檢測信號(hào)輸入端，該端連接升壓電感器的輔助繞組；腳5（CS）PFC預(yù)變換器MOSFET漏極電流感測輸入端；腳6（PFB/OVP）PFC預(yù)變換器輸出DC電壓控制信號(hào)輸入、PFC級過電壓保護(hù)（OVP）輸入及DD部分的輸入補(bǔ)償端；腳7（COMP）PFC部分誤差放大器相位補(bǔ)償輸出端；腳8-9（GND）DD與PFC控制電路地；腳10（MultFP）PFC乘法器輸入，DD部分頻率變換輸入，DD部分輸出電壓變換信號(hào)輸入，PFC部分AC輸入補(bǔ)償，DD與PFC部分鎖存信號(hào)輸入；腳11（DLP）PFC關(guān)斷延時(shí)調(diào)節(jié)端；腳12（BD）DD部分準(zhǔn)諧振（QR）檢測信號(hào)輸入端；腳13（OCP）DD部分過電流檢測信號(hào)輸入端；腳14（DFB）DD部分恒壓控制信號(hào)輸入端；腳15（Vcc）DD與PFC控制電路正電源電壓輸入端（典型值為20V）；腳16（DDout）DD部分MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；腳17（Souree）DD部分MOSFET源極端；腳18-19（NC）不連接；腳20-21（Drain）DD部分MOSFET漏極。2STR-E1555/STR-E1565的主要特點(diǎn)STR-E1555和STR-E1565中的單芯片是一種含有啟動(dòng)和保護(hù)電路的PFC/PWM組合控制器，采用600V高壓BCD工藝制作。該系列混合IC是世界首款集PFC/PWM控制器和PWM級功率MOSFET于一體的開關(guān)電源專用器件。STRE1555和STR-E1565的主要功能與特點(diǎn)如下。（1）集成了臨界導(dǎo)電模式（CRM）PFC控制器CRM界于連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）與不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）之間，也稱為邊界模式（BM）或過渡模式（TM）。CRM-PFC控制器可使PFC預(yù)變換器平均輸入電流僅為峰值電感電流的1/2，從而減小了在功率MOSFET等功率器件上的電流應(yīng)力。與CCM-PFC控制器相比，僅需用很少量的外部元件。STR-E1555與STR-E1565中的CRM-PFC控制器，其乘法器帶AC輸入電壓補(bǔ)償，內(nèi)置高速過電壓保護(hù)電路（非鎖存模式）和逐周過電流保護(hù)電路。工作在CRM的PFC預(yù)變換器，有較高的效率和低EMI。（2）內(nèi)置高效率和低EMIDC/DC控制電路STR-E1555與STR-E1565的PWM控制器控制后置DC/DC變換器，可提供多模式控制功能。在中等到重負(fù)載下，DC/DC控制器工作在準(zhǔn)諧振模式；在輕載到中等負(fù)載下，則在帶頻率顫抖的PWM（y_棵?y_100kHz）模式工作；在無載和非常輕的負(fù)載下，則在低頻模式工作，具有非常低的待機(jī)功耗。（3）提供PFC與DC/DC級之間的協(xié)調(diào)操作STR-E1555和STR-E1565借助于內(nèi)部啟動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)最佳化的啟動(dòng)順序。芯片上的延遲定時(shí)器通過外部電容可以調(diào)節(jié)。在待機(jī)狀態(tài)，自動(dòng)待機(jī)功率將停止PFC操作，并且自動(dòng)待機(jī)帶輸入電壓補(bǔ)償。在低頻操作模式，自動(dòng)偏置電路能防止Vcc電壓降低。（4）提供全方位的保護(hù)功能STR-E1500系列混合IC的PFC級提供過電流保護(hù)（OCP）和過電壓保護(hù)（OVP），DC/DC級提供OCP和過載保護(hù)（OLP）；在間歇操作中，提供輸入功率限制；利用在引腳MultFP上的外部信號(hào)提供外部鎖定保護(hù)（ELP）。此外，還提供門檻溫度為150益的熱關(guān)閉保護(hù)。（5）為DC/DC變換器內(nèi)置功率MOSFETSTR-E1555和STR-E1565中MOSFET參數(shù)和輸出功率如表1所示。表1STR-E1555STR-E1565內(nèi)邙MDSFET卷我及輜HI蔚率說吾町C型號(hào)STP-E1S5&STR-E1S65花vMOSFETu：；耐壓與廿-m700V/0.7^通態(tài)E阻soowiinPFC攜輸出昭含DC/DC毀祐出即或12O0W口C/DC貌軟出冏牛

3應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)3.1應(yīng)用電路實(shí)例及其工作原理基于STR-E1555組合IC的PFC/DC/DC兩變換器電源電路拓?fù)淙鐖D2所示。圖2中，STRE1555中的PFC控制器及引腳5~引腳11外部元件組成CRM-PFC升壓預(yù)變換器。S1為PFC開關(guān)，L1為升壓電感器，D2為升壓二極管，C2為PFC級輸出儲(chǔ)能電容器，R6與R7為PFC級電流傳感電阻，R11與C12組成低通濾波器，L1的輔助繞組作為零電流檢測傳感器使用，C8為誤差放大器輸出補(bǔ)償電容，C10用作PFC開關(guān)關(guān)斷時(shí)間延遲調(diào)節(jié)，R1、R2和R10組成的電阻分壓器用作整流電壓采樣。在系統(tǒng)啟動(dòng)期間，二極管D1為對輸出電容C2充電提供通路，以在PFC開關(guān)S1首次導(dǎo)通時(shí)，在電感器L1中沒有能量存儲(chǔ)。瓦OFiHlTl警.產(chǎn)，HA口日宸+||昂g=>-i~liTJi圖2基于瓦OFiHlTl警.產(chǎn)，HA口日宸+||昂g=>-i~liTJi在接通AC供電線路后，STR-E1555弓|腳1內(nèi)部啟動(dòng)電路為Vcc端上的電容C15提供5.6mA的恒流對C15充電。當(dāng)Vcc腳上的電壓高于16.2V時(shí)，IC1開始運(yùn)行。當(dāng)IC1引腳6上的電壓達(dá)到3.2V時(shí)，DC/DC變換器啟動(dòng)，變壓器偏置繞組（N4）為IC1的Vcc端供電。系統(tǒng)前端PFC電路的電感器L1中的電流工作在臨界傳導(dǎo)模式（CRM）。當(dāng)PFC開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)，二極管D2截止，通過L1的電流從零開始線性增加，并且全部通過S1返回。當(dāng)IC1驅(qū)動(dòng)S1關(guān)斷時(shí)，L1中的儲(chǔ)能使D2導(dǎo)通，流過L1的電流從峰值開始減小。一旦電流降為零，S1再次導(dǎo)通，新的開關(guān)周期開始。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的峰值電感電流時(shí)刻追蹤AC線路電壓的變化軌跡，高頻三角波電感電流經(jīng)輸入電容C1和EMI濾波器濾除高頻成份，得到低頻正弦波平均電流，且與AC電壓趨于同相位，使系統(tǒng)呈電阻性，故輸入功率因數(shù)幾乎等于1，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。圖3所示為PFC預(yù)變換級相關(guān)電壓和電流波形。棚極艇動(dòng)信導(dǎo)圖2所示的開關(guān)電源中的DC/DC變換器為反激式類型°IC1引腳21與引腳17之間內(nèi)部的MOSFET，為DC/DC級的開關(guān)。R12為DC/DC級開關(guān)的電流檢測電阻。只要IC1引腳13（OCP）上的電壓超過0.6V的門限，開關(guān)將停止，履行過電流保護(hù)。DC/DC變換器次級輸出到初級的反饋通過IC2和光耦合器PC1實(shí)現(xiàn)。IC1的引腳14（BD）用作準(zhǔn)諧振檢測，該引腳上的門限電壓VBD（th）=0.76V（典型值）。棚極艇動(dòng)信導(dǎo)3.2PFC電感器和DC/DC級變壓器設(shè)計(jì)PFC預(yù)變換器中的升壓電感器L1和DC/DC變換器中的變壓器T1是兩個(gè)重要元件，其參數(shù)選擇正確與否，關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作。3.2.1PFC電感器設(shè)計(jì)基于STR-E1555的PFC預(yù)變換器在CRM工作，L1的電感值LP由式（1）確定，即式中：T為開關(guān)周期（s）；Vo為PFC預(yù)變換器DC輸出電壓（V）；VAC（min）為最低AC線路電壓（V）；n為pfc級效率；Po為PFC預(yù)變換器輸出功率（W）。通常T=15~20ps，對應(yīng)此情況下，開關(guān)頻率fs=70~50kHz。設(shè)T=20ps，VAC（min）=85V，Vo=400V，Po=120W，n=0.9，將這些數(shù)據(jù)代入式（1）得：LP=379.04pH。L1的主繞組匝數(shù)NP可根據(jù)式（2）計(jì)算，即■W贏121式中：AL值是電感器的一個(gè)參數(shù)，單位為H/N2。為避免磁飽和，AL值的選擇必須考慮NI（AT）值的限制。NI值由式（3）確定，即NIiAn-kpNp--IcpMp

式中：ILP為峰值電感電流，其值等于MOSFET的漏極電流峰值。ILP可根據(jù)式（4）計(jì)算，即IdI按式（4）計(jì)算的結(jié)果是：ILP=IDP=4.44A?？紤]到溫度上升和其它容差，NI值的容限相對于磁芯數(shù)據(jù)NI限制線性曲線邊際可圍繞30%來選擇。若選取AL值為200nH/N2，根據(jù)式（2）得379.04x10牛T20oqo‘H*L1的輔助繞組用作零電流檢測。L1可選用EER型鐵氧體磁芯。L1的輔助繞組上的電壓幅度可選取30V，于是L1輔助繞組匝數(shù)NS為NS=44匝X30V/400V=3.3匝可選擇NS=4匝。考慮到趨膚效應(yīng)，主繞組應(yīng)選用膠合線，而副繞組（ZCS繞組）可選用傳統(tǒng)絕緣銅導(dǎo)線。3.2.2變壓器主要參數(shù)的確定變壓器初級電感LP由式（5）確實(shí)，即LP=襲VIN（min）D覆2Lp=__財(cái)0_2[5!、2E*血n響涪蛔DVC；2式中：VIN（min）為DC/DC變換器最低輸入DC電壓（V）；D為占空因數(shù)；Po為輸出功率（W）；fs（min）為最低開關(guān)頻率（Hz）；Cr為電壓諧振電容（F）；n為DC/DC變換器效率。DC/DC級的輸入電壓即PFC級的輸出DC電壓，其值為400V。假如輸入DC電壓是經(jīng)全波橋式整流和電容器平滑的電壓，在85V的最低AC輸入電壓下，平滑電容器上的電壓Vin（min）則為108.2V。設(shè)fs（min）=50kHz，D=0.57,Po=120W，Cr=470pF，n=0.85，將這些數(shù)據(jù)代入式（5）得到：LP=238.3pH。設(shè)AL值為200nH/N2，則變壓器初級繞組匝數(shù)NP可根據(jù)式（2）計(jì)算，即變壓器次級繞組匝數(shù)NS由式（6）確定，即N廠A.61*D式中：VO為輸出電壓；VF為變壓器次級繞組上的整流二極管正向電壓降；VD是在能率（duty）為50%（注：atduty50%）時(shí)的輸入DC電壓。VD值可按式（7）計(jì)算為1-D_1-D_1-0.57=143.4V設(shè)Vo=12V，VF=0.7V，又VD=143.4V，則根據(jù)式（6）計(jì)算所得結(jié)果為NS抑3匝。初級開關(guān)峰值電流IDP的計(jì)算如式（8）所列。2Iin片12Iin片1-臨TD

"3們Mninl(8JI9I(IO)式中：IIN為平均輸入電流；T為延遲時(shí)間。根據(jù)式（9）和式（10）計(jì)算可得：IIN=1.30A,T=1.05〃s；由式（8）可得IDP=4.83A。4結(jié)語STR-E1555和STR-E1565是世界首款集PFC/PWM控制芯片和PWM（DC/DC）級開關(guān)MOSFET于一體的組合型IC?；赟TR-E1555或STR-E1565工作在CRM-PFC預(yù)變換器與DC/DC后置變換器兩變換器開關(guān)電源，提供0.98以上的輸入功率因數(shù)，AC輸入電流諧波含量滿足EN61000-3-2等規(guī)范要求限值；DC/DC變換器在不同負(fù)載下可提供多模式控制，有非常低的待機(jī)功耗。整個(gè)電源系統(tǒng)提供全方位保護(hù)，元件