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產品,而采用Bi-CMOS技術的第二代ICE2PCS01/02又在第一代基礎上做了一些重要的改進。

第二代ICE2PCS01/02的內部參考被調整到更低的3V,以確保精確的保護與控制水平。此外,它的優點還包括VCC工作電壓范圍更寬、改良了內部振蕩器、新增了直接大電容過壓保護等。這些優點將使其應用性能更佳,設計更靈活。下面是一個典型的設計實例,該實例利用最少的外部元件達到了PFC應用的所有要求。

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RT1。

功率級升壓型PFC轉換器

在橋式整流器BR1之后,就是由L3、Q1、D1 和C2組成的升壓型PFC轉換器。電源開關Q1用的是采用第三代CoolMOS技術的SPP20N60C3。BR1、Q1和碳化硅二極管 D1共用同一個散熱器,以保證系統產生的熱量能均勻發散。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。

升壓型轉換器的PWM控制

升壓型PFC轉換器的PWM控制由一塊8引腳的CCM PFC芯片ICE2PCS02實現。與傳統PFC控制器不同的是,ICE2PCS02并不直接需要正弦波參考信號。開關頻率是固定的65kHz,由芯片的內部振蕩器提供。該電路中有兩個控制環路,一個是電壓環路,一個是電流環路。分壓器R5A、R5B、R6A和 R6B檢測到輸出電壓后,將其送至內部的誤差放大器。誤差放大器的輸出又用于控制內電流環的電流。補償網絡C4、C5和R7構成誤差放大器的外部電路。該電路允許反饋匹配各種負載條件,因此能提供穩定的控制。為了使電路不錯誤地響應100Hz的紋波,電壓環路補償電路采用低帶寬技術實現。內環,即電流控制環,在實現時采用了平均電流模式策略。瞬時電流被調節到與MOSFET的斷電壓DOFF以及電壓環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。芯片用一個內部運放對檢測到的電流信號進行平均,然后在驅動柵極驅動電路的PWM發生器中進行處理。內部運放對電流感應信號的平均過程是通過對ICOMP管腳上外接的一個電容C7進行充放電實現的。

芯片由外部電壓源供電,并經C8和C9濾波與緩沖。芯片的輸出柵極驅動器采用了快速圖騰柱柵極驅動。它內帶交叉傳導電流保護裝置和一個齊納二極管以保護外部晶體管開關不受意外過壓的損壞。選用柵極驅動電阻R4的目的是限制和門控脈沖電流,并驅動MOSFET實現快速開關。

軟啟動

當Vcc腳的電平超過導通閾值(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。

增強的動態響應特性

由于PFC固有的低帶寬動態特性,在出現負載跳變的情況下整流電路將無法提供足夠快速的響應,并導致輸出電壓陡增或陡降。為了解決PFC應用中存在的這一問題,英飛凌公司在該芯片中增強了動態響應性能。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得以恢復。

保護特性

a. 輸入欠壓保護

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管腳通過檢測經濾波后的輸入電壓分壓來發現輸入欠壓狀態。如果VINS檢測到的電壓低于,那么芯片的輸出將被關斷。只有當VINS檢測到的電壓回升到后芯片才會被重新喚醒。需要注意的是,從欠壓保護狀態恢復時,芯片仍具備軟啟動特性。

b.開環保護

為了保護輸出,芯片還具備開環保護功能。只要VSENSE電壓下降到以下,即相當于VOUT降至額定電壓的20%以下,就說明芯片處于開環狀態(也就是說VSENSE管腳沒有與外部電路連接)。此時,芯片中的大多數模塊都會被關斷,這是通過一個閾值電壓為的比較器實現的。

c. 輸出過壓保護

當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參考電壓的差值實現的。只要VSENSE上的電壓超過,柵極信號就會被立刻阻斷。

d. 軟過流控制(SOC)和峰值電流限制

當電流檢測電路得到的電壓幅度達到時,軟過流控制(SOC)就會啟動。SOC是一種軟控制方式,它不會直接關斷柵極驅動,而是通過控制內部模塊達到減小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到時啟動。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斷。

e. 芯片供電的欠壓閉鎖

當VCC電壓低于欠壓閉鎖閾值VCCUVLO(通常為11V)時,芯片的柵極驅動會被內部拉低,從而將芯片的輸出保持在關斷狀態。此時芯片只消耗200uA的電流。

本文小結

本文介紹的300W PFC評估板是一個優秀的設計范例,它達到了近似1的功率因素和低端超過92%、高端超過98%的極高效率。該設計證明,ICE2PCS02是想要最少外部元件的PFC應用的絕佳選擇。

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

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圖12

圖13

圖14

表1:技術規范。

表2

表3

作者:Luo Junyang

高級工程師,

Liu Jian Wei

高級工程師,

Jeoh Meng Kiat

總工程師

英飛凌科技公司