CHINESE version Design Guide ICE2QRxx65/80x

设计指南,版本 1.1,2011 年 8 月 8 日
ICE2QRxx65/80x
准谐振 CoolSET 设计指南
AN-PS0053
电源管理与供电
思想永不停歇。
由 Infineon Technologies AG 出版
81726 Munich, Germany
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设计指南
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2011 年 8 月 8 日
准谐振 CoolSET 设计指南
ICE2QRxx65/80x
标题:ICE2QRxx65/80x 设计指南
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V1.0
V1.1
变更内容(自上次修订后的主要变更)
增加 ICE2QR0665Z、ICE2QR1065Z、ICE2QR1765Z、ICE2QR4765Z、
ICE2QR0665G、ICE2QR1765G 和 ICE2QR4765GZ
23
修改类型
ICE2QRxx65/80x 准谐振 CoolSET 设计指南
英飞凌科技亚太私人有限公司 (Infineon Technologies Asia Pacific Pte Ltd) 许可
AN-PS0053
Winson Wong
[email protected]
Eric Kok
[email protected]
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2011 年 8 月 8 日
设计指南
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准谐振 CoolSET 设计指南
ICE2QRxx65/80x
目录
引 言 .................................................................................................................................................................. 5
CoolSET 简介 .................................................................................................................................................. 5
2.1 主要特点 ..................................................................................................................................................... 5
2.2 引 脚 布 局 ................................................................................................................................................... 5
2.3 引脚功能 ..................................................................................................................................................... 6
2.3.1 ZC(过零) ..................................................................................................................................... 6
2.3.2 FB(反馈)...................................................................................................................................... 6
2.3.3 CS(电流感测) ............................................................................................................................. 6
2.3.4 漏极................................................................................................................................................... 6
2.3.5 VCC(电源) .................................................................................................................................. 6
2.3.6 GND(接地) .................................................................................................................................. 6
3
准谐振反激式变换器概述 ............................................................................................................................... 6
4
功能描述和元件设计 ....................................................................................................................................... 8
4.1 启 动 期 间 的 VCC 预充电和典型 VCC 电压 ......................................................................................... 8
4.1.1
VCC 电容器 ................................................................................................................................... 9
4.2 软启动 ......................................................................................................................................................... 9
4.3 正常运行 ................................................................................................................................................... 10
4.3.1
接通确定....................................................................................................................................... 10
4.3.2
关断确定 ...................................................................................................................................... 11
4.4
主动突发模式下工作 .......................................................................................................................... 11
4.4.1
进入主动突发模式工作............................................................................................................... 11
4.4.2
在突发模式工作期间................................................................................................................... 12
4.4.3
离开主动突发模式....................................................................................................................... 13
4.5 电流感测 ................................................................................................................................................... 13
4.6 反馈 ........................................................................................................................................................... 13
4.7 过零 ........................................................................................................................................................... 13
4.8 保护 ........................................................................................................................................................... 15
4.9 其 它 .......................................................................................................................................................... 15
5
典型应用电路 ................................................................................................................................................... 15
6
准谐振 Coolset 650V/800V 的输入功率曲线............................................................................................. 16
7
PCB 布局建议................................................................................................................................................ 22
®
8
准谐振 CoolSET 的产品系列 .................................................................................................................... 22
9
设计公式 ......................................................................................................................................................... 23
10
参考资料 ......................................................................................................................................................... 24
1
2
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准谐振 CoolSET 设计指南
ICE2QRxx65/80x
引言
1
本设计指南描述了如何使用英飞凌科技公司新开发的准谐振 PWM CoolSET, ICE2QRxx65/80x 来设计准谐振
反激式变换器。
首先描述了CoolSET 的主要特点、引脚布局等基本信息。然后简要介绍了准谐振反激式变换器,随后介绍了
ICE2QRxx65/80x 的功能和操作。本文档的最后一部分介绍了典型应用实例、输入功率曲线、PCB 布局建议、
产品系列和设计方程式。
CoolSET 简介
2
ICE2QRxxxx 是第二代准谐振 PWM CoolSET,其功率 MOSFET 和启动元件封装在一起,并针对 LCD TV、笔
记本电脑适配器等离线式电源应用进行了优化。数字频率随负载下降而下降,可在极低负载下实现准谐振操
作。因此与传统解决方案相比,系统平均效率得到显著提高。主动突发操作模式可实现待机操作模式下的超低
功耗,还可实现低输出电压纹波。多种保护功能可使电源系统在发生故障时得到全面保护。所有这些特性使
ICE2QRxx65/80x CoolSET 成为市场上出色的元件用于准谐振反激式变换器。
此外,CoolSET 具有许多保护功能可保护系统并 针 对所选应用对 CoolSET 进行定制。所有这些特性 使
ICE2QRxx65/80x 成为市场上出色的用于真正的准谐振反激式变换器的产品。
主要特点
2.1
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
带启动元件的高压 (650V/800V) 耐雪崩 CoolMOS
准谐振操作
根據负载变化数字频率下降
通过主动突发模式实现轻负载运行
内置高压启动元件
内置数字软启动
通过内置前沿消隐时间限制逐周期峰值电流
通过数字化的传感控制电路校正折返点
通过自动重启模式实现 VCC 欠压和过压保护
通过自动重启模式实现过载/开环保护
通过自动重启模式实现内置过热保护
通过锁存模式实现可调节的输出过压保护
通过锁存模式实现短绕组保护
最长接通时间限制
最大开关周期限制
®
2.2 引 脚 布 局
图 1 引脚配置(俯视图),DIP-8 版;DIP-7 (Z) 版;DSO-12 (G) 版;
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ICE2QRxx65/80x
2.3
2.3.1
引脚功能
ZC(过零)
ZC 引脚具有三种功能。第一,在 MOSFET 的关断时间内,当 ZC 电压下降至 VZCCT (100mv) 以下时会检测
变压器的去磁化。第二,MOSFET 关断后,如果 VZC 高于 VZCOVP (3.7V),则会认为存在输出过压故障。第
三,在 MOSFET 的导通时间内,有电流流过此引脚,电流大小取决于总线电压。然后使用与此电流有关的信息
调节最大电流极限。关于此功能的更多详细内容见第 4 节。
2.3.2
FB(反馈)
通常将外部电容器连接到此引脚,以使反馈电压平滑化。在内部,此引脚与 PWM 信号发生器相连,用于结合电
流感测信号确定是否关断,此外还与数字信号处理元件相连,用于在正常运行期间随负载的减小而降低频率。此
外,还通过监测此引脚处的电压来执行开环/过载保护。
2.3.3
CS(电流感测)
此引脚在外部与分流电阻器相连,用于感测初级电流,在内部则用于(结合反馈电压)确定是否关断 PWM 信
号发生器。此外,通过在主电源开关接通期间监测 VCS 电压来实现短绕组保护。
2.3.4
漏极
此引脚与 650V/800V CoolMOS® 的漏极相连。
2.3.5
VCC(电源)
VCC 引脚是 CoolSET 的正电源,应与主变压器的辅助绕组相连。
2.3.6
GND(接地)
这是 CoolSET 的共用接地端。请注意,电流感测电阻器接地端应与大容量电容器接地端相连,以免产生强噪声
干扰。
3
准谐振反激式变换器概
图 2 显示的是 ICE2QRxx65/80x 在准谐振反激式变换器中的一种典型应用。在这种变换器中,通过橋式整流对电
源输入电压进行整流轉換,然后通过电容器 Cbus(此处提供总线电压 Vbus)使其平滑化。变压器具有一个初级绕
组 W p,一个或多个次级绕组(此图中有一个次级绕组 W s),以及一个辅助绕组 W a。图 3 显示的是对反激式变
换器采用准谐振控制时的典型波形。来自辅助绕组的电压提供了关于电源变压器去磁化的信息、输入电压和输出
电压的信息。
如图 3 所示,接通电源开关时,分流电阻器两端的电压 VCS 因漏源电容器放电而出现尖峰。尖峰过后,电压
V CS 显示出关于流过变压器 Lp 主电感的实际电流的信息。一旦测得的电流信号 VCS 超过通过反馈电压 VFB 确
定的最大值,电源开关就会关断。 在这段导通时间内,辅助绕组两端产生与输入总线电压成比例的负电压。
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ICE2QRxx65/80x
图 2 ICE2QRxx65/80x 的典型应用
MOSFET 关断后,电源开关的漏源电压 Vds 的会非常迅速地升高。这是储存在变压器漏感内的能量造成的。在大
多数情况下可以使用缓冲电路 RCD 限制这种能量所造成的最大漏源电压。经过振荡 1 后,漏源电压恢复稳定
值。此处,电压 v Refl 是变压器初级侧的次级电压的反射值,其计算公式如下:
其中,n 为变压器匝数比,其在本文档中的定义如下:
Np 和 Ns 分别为初级绕组和次级绕组的匝数。
振荡 1 被抑制后,电源开关的漏源电压表现为恒定值 Vbus+VRefl,直到变压器完全去磁。这段时间构成关断时间
toff1 的第一部分。
次级侧电流下降至零后,电源开关的漏源电压表现为另一个振荡(图 3 中的振荡 2,即本文所述的主振荡)。发
生此振荡的电路由变压器 Lp 的等效主电感和漏源(或漏极接地)端子两端的电容器 CDS(包括 MOSFET 的
Co(er) )组成。此振荡的频率计算公式如下:
此振荡的振幅从 v Refl 值开始,并随时间的延长而呈指数下降,这是由谐振电路的损耗因数决定的。经过 t 4 时间
后,电压的第一个最小值出现在振荡周期的一半,可以按如下公式计算出大概值。
在准谐振控制中,电源开关在漏源电压最小值处接通。通过这种操作,可使接通损耗降至最低限度,与正常硬开
关反激式变换器相比,因 dV ds/dt 产生的开关噪声也得到减小。
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ICE2QRxx65/80x
图 3 准谐振反激式变换器的关键波形
功能描述和元件设计
4
4.1
启 动 期 间 的 VCC 预充电和典型 VCC 电压
在 CoolSET ICE2QRxx65/80xx 中,CoolMOS 集成了一种启动元件。此启动元件可以对 VCC 电容器预充电,
直到 VCC 电压达到 VCC 导通阈值 VVCCon,且 CoolSET 开始运行。
一旦加载电源输入电压,一个经过整流的电压就会出现在电容器 Cbus 两端。此高压装置向 VCC 电容器 Cvcc 提供
充电电流。在 VCC 电压达到某个值之前,流过此高压装置的电流振幅仅取决于其沟道电阻,且最高可达数毫
安。VCC 电压达到某个水平后,CoolSET 控制启动元件,使其向 VCC 电容器提供约 1mA 的恒定充电电流。当
VCC 电压超过导通阈值 VVCCon 时充电停止。如图 4 中的时间段 1 所示,VCC 电压几乎呈线性增加。
充电 VCC 达到导通阈值所需的时间可以按以下公式进行大致计算:
其中 IVCCcharge2 是来自启动元件的充电电流,通常为 1.1 mA。
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图 4 启动时的 VCC 电压
当 VCC 电压在时间 t1 处超过导通阈值 VVCCon 时,启动元件关断,CoolSET 通过软启动开始工作。在输出电压
较低的情况下,来自辅助绕组的能量不足以为 CoolSET 的运行供电,于是 VCC 电压下降(时段 II)。一旦输出
电压足够高,VCC 电容器便从时间点 t2 开始从辅助绕组接收能量。然后 VCC 电压会达到一个恒定值,具体取决
于输出负载。
注意:对于典型应用,启 动 时 应 是 VCC 先 升 高 , 其 它 引 脚 ( 例 如 F B 引 脚 ) 电 压 将 随 着 V C C 电 压
而 升 高 。 建议在 VCC 升高前不要对其它引脚(例如 FBB;BBA 和 CS)加载任何电压。
4.1.1
VCC 电容器
由于存在 VCC 欠压保护,应当选择电容值足够大的 VCC 电容器以确保 VCC 电容器中存储足够能量,使
VCC 电压在输出电压升高前永远不会达到 VCC 欠压保护阈值 VVCCUVP。因此,电容值应满足以下要求:
其中 IVCCop 为 CoolSET 的工作电流。
4.2
软启动
CoolSET 电 源 电 压 超 过 18V(图 4 中的 t1 对应的值)后,CoolSET 将通过软启动开始开关操作。软启动
功能以数字方式内置于 CoolSET 内。在软启动过程中,通过内部基准电压而非 FB 引脚上的电压来控制
MOSFET 的峰值电流。CS 引脚上用于控制峰值电流的最高电压按图 5 所示的方式逐步升高。软启动的持续
时间最长为 12 ms,每步 4 ms。
在软启动期间,过载保护功能被禁用。
图 5 软启动期间的最高电流感测电压
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4.3
正常运行
CoolSET 的 PWM 部分可分为两个主要部分:用于正常工作的 PWM 控制器和用于突发模式下工作的 PWM 控
制器。用于正常工作的 PWM 控制器将通过以下几段说明,用于突发模式下工作的 PWM 控制器则将在下一节说
明。
用于正常工作的 PWM 控制器由包含加减计数器、过零计数器 (ZC 计数器) 和比较器的数字信号处理电路以及包
含电流测量单元和比较器的模拟电路组成。分别通过数字电路和模拟电路确定接通和关断时间点。作为确定接通
所需的输入信息,过零输入信号和加减计数器的值必不可少,同时反馈信号 VFB 和电流感测信号 VCS 也是确定
关断所必需的。以下几段详细说明了 PWM 控制器在正常工作时的工作情况。
4.3.1
接通确定
如上文所述,数字信号处理电路由加减计数器、过零计数器和比较器组成。通过实施响铃抑制时间控制器来避免
MOSFET 关断后因响铃导致误触发。这些部件的功能如下文所述。
4.3.1.1
加减计数器
加减计数器存储在变压器去磁后为接通主电源开关而检测的过零数量。此值是反馈电压 VFB 的函数,此电压包含
关于输出功率的信息。通常,高输出功率会导致高反馈电压 VFB。根据此信息,在高反馈电压情况下,加减计数
器中的值会减小;在低反馈电压情况下,该值会增大。在 ICE2QRxx65/80x 中,计数器的最小值为 1,最大值为
7。下文解释了加减计数器的值如何随反馈电压 VFB 而变。在内部比较反馈电压 VFB 和三个阈值 VFBZL、VFBZH 和
VFBR1。加减计数器中的值根据比较结果而变,二者的对应关系汇总在表 1 和图 6 中。
根据比较结果,加减计数器向上计数、保持不变或向下计数。但是,加减计数器的值被限制在 1 至 7 之间。如
果计数器计数后可能超过此范围,则忽略此次计数。
在正常情况下,加减计数器在 48ms 的时钟周期内,每次改变只能加一或减一。但是,为了确保对负载增加作
出快速响应,在调节反馈 VFB 超过阈值 VFBR1 后的开关周期内,计数器被设定为 1。
VFB
始终低于 VFBZL
一度高于 VFBZL,但大多数情况下始
终低于 VFBZH
一度高于 VFBZL,但大多数情况下始
终低于 VFBR1
一度高于 VFBR1
表 1 加减计数器的操作
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加减计数器的动作
向上计数,直至达到 7
不变
向下计数,直至达到 1
计数器设定为 1
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图 6 加减计数器的操作
4.3.1.2
接通确定
在此系统中,是否接通电源开关取决于加减计数器的值、过零计数器的值和 ZC 引脚处的电压 VZC。仅当两个计
数器中的值相等,且 ZC 处的电压低于阈值 VZCCT 时才会接通。使用数字比较器来比较两个计数器的值。如果
两个计数器的值相等,只有当电压 VZC 低于阈值 VZCCT 时,比较器才会生成一个信号,通过此信号设定触发器
的开关。
另一个可能触发数字比较器的信号是 TsMax 时钟输出信号,此信号用于限制关断时间的最大值,以避免低
频工作。
在主动突发模式下工作时,数字比较器被禁用,且不产生脉冲。
4.3.2
关断确定
在此变换器系统中,通过外部分流电阻器感测初级电流,此电阻器连接在电流感测引脚和共用接地端之间。将
分流电阻器 VCS 两端的感测电压加载到内部电流测量单元上,并将其输出电压 V1 与反馈电压 VFB 进行比较。
一旦电压 V1 超过电压 VFB,则使输出触发器重置。然后关断主电源开关。V1 与 VCS 的关系如下式所示:
其中 GPWM=3.3,VPWM=0.7
为了避免在主电源开关接通后因分流电阻器两端的电压尖峰导致误触发,将 330 ns 的前沿消隐时间 (t LEB) 运用
到比较器的输出端。
4.4
主动突发模式下工作
在极低负载情况下,CoolSET 进 入 主 动 突 发 模 式 工 作 , 使 输 入 功 率 降 至 最 小 值 。 以下几段详细描述了
在主动突发模式下的工作状况。
4.4.1
进入主动突发模式工作
为了确定是否进入主动突发模式工作,以下三个条件适用:
 反馈电压低于 VEB(1.25V) 的阈值。相应地,分流电阻器两端的峰值电压为 0.17V;
 加减计数器达到最大值 7;
 在一定消隐时间 t BEB (30ms) 内必须满足上述两个条件
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一旦满足这几个条件,则会设定主动突发模式触发器,且 CoolSET 进入突发模式工作,栅极将被关断
直到 VFB 升高到阈值 VBH。进入主动突发模式的总消隐时间取决于向上计数时间和 30 ms 的额外消隐时间。
例如,如果在负载变化之前,当前加减计数器的值为 3,则总消隐时间为:
用多个条件确定是否进入主动突发模式工作可防止因误触发进入主动突发模式工作,因此仅当输出功率在预
设消隐时间内确实较低时,CoolSET 才会进入主动突发模式工作。
4.4.2
在突发模式工作期间
进入主动突发模式后,由于被动 PWM 部分,反馈电压在 VO 开始下降时上升。如 果 超 过 电 压 等 级 VBH
(3.6V),一个比较器会观察到反馈信号。 在这种情况下,内部电路再次被内部偏置激活,并开始开关操作。
通过计时器触发电源 MOSFET 的导通。用于突发模式下工作的 PWM 发生器包含一个计时器(通常为具有固定
频率 52 kHZ 的计时器)和模拟比较器。通过比较电压信号 V1 和内部阈值实现关断,通过关断使分流电阻器的
电压 VcsB 相应变为 0.34V。还可以通过 CoolSET 的最大占空比触发关断,CoolSET 将最大占空比设定为
50%。在工作过程中,输出触发器将被这些信号中最先到达的信号重置。
图 7 主动突发模式中的信号
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如果输出负载仍然偏低,反馈信号会在 PWM 部分处于工作状态时下降。当反馈信号达到低阈值 VBL(3.0V) 时,
内部偏置再次被重置且 PWM 部分被禁用,直到调节信号下一次增加到 VBH 阈值范围外。在主动突发模式中,
反馈信号在 3.0 V 至 3.6 V 之间呈锯齿形变化,如图 7 所示。
4.4.3
离开主动突发模式
如果存在较高负载跳变,反馈电压立即升高。通过一个比较器可以观察到此现象。在主动突发模式中的电流限
制为 34%,因此需要一定的负载才能使反馈电压超过 VLB (4.5V)。离开主动突发模式后,现在可以提供最大电
流以稳定 V O。此外,加减计数器将在离开主动突发模式后被立即设定为 1。这对降低输出电压欠冲很有帮助。
4.5
电流感测
CoolSET 内的 PWM 比较器具有两个输入:一个来自电流感测引脚,另一个来自反馈电压。在被发送至 PWM
比 较 器 之 前 , 电 流 感 测 电 压 上 存 在 一个偏移和运行增益。在正常工作状态下,反馈电压和最高电流感测电
压之间的关系可以通过下式 (8) 确定。
其中 GPWM=3.3,VPWM=0.7
绝对最高电流感测电压 VCS_PK 为 1V。因此,可以根据变压器中的最大所需峰值电流选择电流感测电阻器,如
式 (9) 所示。
准谐振反激式变压器的设计流程如 [2] 所示。此外,电流感测引脚内已建立前沿消隐 (LEB)。前沿消隐时间的典
型值为 330 ns,可将其当作最短接通时间。
4.6
反馈
在 CoolSET 内,通过上拉电阻器 RFB 将反馈 (FB) 引脚与 5V 电压源相连。在 CoolSET 外部,此引脚与光耦合
器的集电极相连。正常情况下,可以将一个陶瓷电容器 CFB,例如 1nF 的陶瓷电容器,置于此引脚和接地引脚
之间以使信号平滑化。
反馈电压将被用于以下几个功能:
 用于确定最高电流感测电压,相当于变压器峰值电流。
 用于根据负载状况确定 ZC 计数器值。
4.7
过零
与过零 (ZC) 引脚相连的电路元件包括电阻器 RZC1、RZC2 和电容器 CZC。为了使与此引脚关联的三项功能能
够按设计执行,应谨慎选择这三个元件的值。
首先,先选择 RZC1 和 RZC2 的比值以设置输出过压保护的触发器电平。假设输出电压的保护电平为 VO_OVP,辅
助绕组的匝数为 Na,且次级输出绕组的匝数为 Ns,该比值的计算公式如下
在 (10) 中,VZCOVP 是过压保护的输出电平,该值可以在产品数据手册中找到。
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其次,如图 3 所示,进行过零检测及导通 MOSFET 时有两个延迟时间。延迟时间 tDelay1 是从漏源电压与总线电
压相交到 ZC 电压降至 100mV 以下的延迟时间。.可以通过改变 CZC 来调节此延迟时间。第二个延迟时间 tDelay2
是从 ZC 电压下降至 100mV 以下到 MOSFET 导通的延迟时间。第二个延迟时间是由 CoolSET 内部电路决定
的,无法更改。因此要选择合适的电容器 C ZC 来调节延迟时间 tDelay1,MOSFET 要在漏源电压的最低点导通。
这通常是通过实验实现的。
此引脚集成了折返点校正功能。此功能可减小电流感测引脚上的峰值电流极限,因此当输入电压升高时,变换
器的最大输出功率不会增大。这可以通过感测 MOSFET 导通时从 ZC 引脚流出的电流来实现。
当主电源开关接通时,辅助绕组上的负电压可以按下式计算
在 ZC 引 脚 内 侧 存 在 一 个 钳 位 电 路 , 此 电 路 使 Z C 引 脚 电 压 保 持 在 零 附 近 。 因此,此时从 ZC 引脚流
出的电流为
ZC 引脚中用于启动折返点校正的阈值为 IZC = 0.5 mA。因此,可以按下式选择 RZC1
在 (13) 中,VBUS_S 是用于维持恒定的最大输出功率的电压。与 ZC 电流对应的最高电流感测电压如图 8 所示。
图 8 MOSFET 处于导通状态时最高电流感测极限与 ZC 电流的关系
此外,如图 3 所示,当 MOSFET 关断时 ZC 电压可能出现过冲。这是因为图 3 所示的漏极电压上的振荡 1 可能
与辅助绕组相连。因此,可以调节电容器 CZC 和比值以在输出过压保护精度和谷值开关性能之间取得平衡。
但是,如果 ZC 引脚处的响铃振幅过小,且无法检测到过零,则建议增大 MOSFET 的漏源电容器 CDS。但是
此电容器可能引起开关损耗,建议选择尽可能小的电容值;最好小于 100pF。
此外,为了避免在 MOSFET 关断后误触发 ZC 检测,会提供响铃抑制时间。如果 VZC 高于 0.7V,响铃抑制时
间通常为 2.5 μs,如果 VZC 低于 0.7V,则响铃抑制时间通常为 25 μs。在响铃抑制时间内,无法再次接通
CoolSET。因此,还可以将响铃抑制时间当作最短关断时间。
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20
准谐振 CoolSET 设计指南
ICE2QRxx65/80x
4.8
保护
ICE2QRxx65/80x CoolSET 提供完善的保护功能。下表对这些保护功能进行了概括。
VCC 过压
VCC 欠压
过载/开环
过热
输出过压
短绕组
自动重启模式
自动重启模式
自动重启模式
自动重启模式
锁闭模式
锁闭模式
在工作期间,VCC 过压被持续监测。在欠压或过压情况下,CoolSET 被重置,然后主电源开关保持关断。VCC
电压降至阈值 VVCCoff 以下后,启动元件被激活。然后 VCC 电容器被充电。一旦电压超过阈值 VVCCon ,
CoolSET 通过重新软启动开始工作。
在开环控制或输出过载的情况下,反馈电压将被拉高。经过 24ms 的消隐时间后,CoolSET 进入自动重启模
式。如果因负载突然增大而使 VFB 升高,此处的消隐时间可使变换器提供大功率。
在电源开关关断期间,对过零引脚处的电压进行监测以进行输出过压检测。如果此电压高于预设阈值 VZCOVP,
CoolSET 则在预设消隐时间后锁闭。
如果 CoolSET 的结温超过 140oC,CoolSET 则进入自动重启模式。
如果在电压开关接通期间电流感测引脚处的电压高于预设阈值 VCSSW ,CoolSET 则锁闭。这就是短绕组保护。
在锁闭保护模式期间,当 VCC 降至 10.5V 时,启动元件被激活,VCC 电压被充电到 18V,然后启动元件再次
被关闭,并重复先前的流程。仅当 VCC 电压小于 6.23V 时才能重置锁闭模式。
4.9
其它
对于准谐振反激式变换器,工作频率可能变得非常低,这通常会导致可听噪声。为了防止发生这种情况,
ICE2QRxx65/80x 提供了最长接通时间和最长开关周期。
ICE2QRxx65/80x 中的最长接通时间通常为 30 μs。如果栅极保持导通 30 μs,不论电流感测电压为多少,
CoolSET 都将关断栅极。
当 MOSFET 被关断,且 CoolSET 无法检测到足以使导通 MOSFET 的过零次数,CoolSET 将在达到最长开关
周期(通常为 50 μs)时导通 MOSFET。请注意,即使 ZC 引脚电压不为零,也不能阻止 CoolSET 导通
MOSFET。因此,在软启动期间,变换器可能发生 CCM 操作。
典型应用电路
5
下图显示了一个带 ICE2QR4780z 的 12W 评估板作为示例。详细信息见 [5]。此应用电路如图 9 所示。
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ICE2QRxx65/80x
图 9 带 ICE2QR4780Z 的 12W 5V 演示板示意图
准谐振 Coolset 650V/800V 的输入功率曲线
6
®
此输入功率曲线的目的是简化 CoolSET 装置的选择过程。此曲线是环境温度对系统输入功率的函数,此曲线
考虑了输入滤波器损耗、桥式整流器损耗和 MOSFET 的功率损耗。唯一需要的信息是输出功率、输入电压范
围、工作环境温度和系统效率。然后可以按下式计算所需输入功率 (14)。
其中 Pin:输入功率,Po:输出功率,η:效率
然后从输入功率曲线中查找所需环境温度对应的闭环输入功率。
准谐振 CoolSET 系列的输入功率曲线如下所示。
ICE2QR0665: Vin=85Vac~265Vac
图 10 ICE2QR0665 的输入功率曲线
ICE2QR0665: Vin=230Vac±15%
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ICE2QRxx65/80x
ICE2QR1765: Vin=85Vac~265Vac
图 11 ICE2QR1765 的输入功率曲线
ICE2QR1765: Vin=230Vac±15%
ICE2QR4765: Vin=85Vac~265Vac
图 12 ICE2QR4765 的输入功率曲线
ICE2QR4765: Vin=230Vac±15%
ICE2QR0665Z: Vin=85Vac~265Vac
图 13 ICE2QR0665Z 的输入功率曲线
ICE2QR0665Z: Vin=230Vac±15%
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ICE2QRxx65/80x
ICE2QR1065Z: Vin=85Vac~265Vac
图 14 ICE2QR1065Z 的输入功率曲线
ICE2QR1065Z: Vin=230Vac±15%
ICE2QR1765Z: Vin=85Vac~265Vac
图 15 ICE2QR1765Z 的输入功率曲线
ICE2QR175Z: Vin=230Vac±15%
ICE2QR4765Z: Vin=85Vac~265Vac
图 16 ICE2QR4765Z 的输入功率曲线
ICE2QR4765Z: Vin=230Vac±15%
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ICE2QRxx65/80x
ICE2QR0665G: Vin=85Vac~265Vac
图 17 ICE2QR0665G 的输入功率曲线
ICE2QR0665G: Vin=230Vac±15%
ICE2QR1765G: Vin=85Vac~265Vac
图 18 ICE2QR1765G 的输入功率曲线
ICE2QR1765G: Vin=230Vac±15%
ICE2QR4765G: Vin=85Vac~265Vac
图 19 ICE2QR4765G 的输入功率曲线
ICE2QR4765G: Vin=230Vac±15%
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ICE2QRxx65/80x
ICE2QR0680Z: Vin=85Vac~265Vac
图 20 ICE2QR0680Z 的输入功率曲线
ICE2QR0680Z: Vin=230Vac±15%
ICE2QR2280Z: Vin=85Vac~265Vac
图 21 ICE2QR2280Z 的输入功率曲线
ICE2QR2280Z: Vin=230Vac±15%
ICE2QR4780Z: Vin=85Vac~265Vac
图 22 ICE2QR4780Z 的输入功率曲线
ICE2QR4780Z: Vin=230Vac±15%
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ICE2QRxx65/80x
ICE2QR2280G: Vin=85Vac~265Vac
图 23 ICE2QR2280G 的输入功率曲线
ICE2QR2280G: Vin=230Vac±15%
计算时所作的主要假设如下。
1. 对于 650V CoolSET 和 800V CoolSET,从次级侧到初级侧的反射电压分别为 115V 和 150V。
2.
此装置的最大功率假定为集成的 CoolMOS® 的结温达到 125°C 时的功率(距达到此装置的过热保护
( 130°C) 有一定裕量)。计算时采用此装置在 125°C 的最大 Rdson。
3. 对于 650V DIP-8 CoolSET,没有铜散热区且 Rthja=90K/W;对于 650V DIP-7
CoolSET , 没 有 铜 散 热 区 且 Rthja=96K/W ; 对 于 650V DSO-12 CoolSET , 没 有 铜 散 热 区 且
Rthja=110K/W ;对于 800V DIP-7 CoolSET ,在漏极引脚处有 232mm 2 的 2oz PCB 铜散热区且
Rthja=80K/W ;对于 800V DSO12 CoolSET,在漏极引脚处有 232mm 2 的 2oz PCB 铜散热区且
Rthja=85K/W。
4. 按下表所示考虑 MOSFET 的饱和电流 (Id_max @ 125°C)。
5. EMI 滤波器的典型电阻值如下表所示。
6. 桥式整流器的压降假定为 1V。
ICE2QR0665x
ICE2QR1065x
ICE2QR1765x
ICE2QR4765x
ICE2QR0680x
ICE2QR2280x
ICE2QR4780x
设计指南
Rdson_125°C (Ω)
Id_max @125°C (A)
REMI_filter (Ω)
VF_bridge (V)
1.58
2.22
4.12
12.5
1.58
5.80
11.50
9.95
6.47
4.03
1.67
12.60
2.87
1.45
2 * 0.56
2 * 0.56
2*1
2*3
2 * 0.56
2*2
2*3
2*1
2*1
2*1
2*1
2*1
2*1
2*1
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准谐振 CoolSET 设计指南
ICE2QRxx65/80x
PCB 布局建议
7
在电源系统中,PCB 布局是实现成功设计的关键。以下是对此提出的一些建议(参考图 9 中的应用电路)。
 通过脉冲均流或均压尽量减小回路;例如通过总线电压源、初级绕组、主开关和电流感测电阻器形成的
回路或者由次级绕组、输出二极管和输出电容器组成的回路,或者 VCC 电源回路。
 使 CoolSET 接地良好;因为 CoolSET 会以 CoolSET 的接地端为参照点来检查每一个信号,此接
地端也是 VCC 电源的接地端,建议通过一种短而粗的星形结构的 PCB 走线将 CoolSET 的接地
端与总线电压接地端相连。注意将 CoolSET 的接地端当作小信号接地端对待,将 R CS 电阻器接地端
和变压器辅助绕组的初级接地端当作电源回路接地端对待。在与大容量电阻器接地端相连之前需要与
其分离。
 使其它部件/功能接地良好。这包括 CoolSET 接地端、FB 回路接地端、ZC 回路接地端和 VCC 回路接
地端。建议将上述所有接地端与 CoolSET 接地端相连,然后使用星形结构连接到总线电压接地端。
 电源回路接地端可以直接单独连接到大容量电容器接地端;例如 EMI 滤波器回路接地端 Y 电容器、
C15、变压器辅助绕组接地端和 RCS 电阻器。
 在典型应用中,高压引脚与总线电压相连。在雷电冲击测试中,总线电压上的噪声较高。建议使与高压
引脚相连的走线远离其它小信号走线。此距离最好超过 3mm。
准谐振 CoolSET® 的产品系列
8
类型
ICE2QR0665
ICE2QR1765
封装
MOSFET
VDS
RDSon1
DIP-8
650V3
0.65 Ω
DIP-8
650V
3
1.7 Ω
3
DFR, PPL
56W
4
33W
4
DFR, PPL
4.7 Ω
30W
4
19W
4
DFR, PPL
79W4
650V
ICE2QR0665Z
DIP-7
650V3
0.65 Ω
DIP-7
650V
3
0.92Ω
650V
3
1.7 Ω
650V
3
4.7 Ω
5
0.65 Ω
650V
3
1.7 Ω
650V
3
4.7 Ω
ICE2QR4765Z
ICE2QR0665G
ICE2QR1765G
ICE2QR4765G
ICE2QR0680Z
ICE2QR2280Z
ICE2QR4780Z
ICE2QR2280G
1@
DIP-7
DIP-7
DSO-12
DSO-12
DSO-12
DIP-7
DIP-7
DIP-7
DSO-12
650V
特性
50W4
DIP-8
ICE2QR1765Z
输入功率
(85-265) VAC
88W4
ICE2QR4765
ICE2QR1065Z
输入功率
230 VAC
800V
0.65 Ω
800V
2.2 Ω
800V
4.7 Ω
800V
2.2 Ω
45W4
4
41.0W
DFR, PPL
4
4
30.6W
DFR, PPL
18W
4
DFR, PPL
45W
4
DFR, PPL
28W
4
DFR, PPL
17W
4
DFR, PPL
57W
5
DFR, PPL, 800V
30W
5
DFR, PPL, 800V
22W
5
DFR, PPL, 800V
30W
5
DFR, PPL, 800V
71.6W
54.8W
4
31W
79W
6
49W
4
29W
4
7
102W
53W
5
39W
5
51W
5
DFR, PPL
4
Tj=25°C 时的典型值
峰值功率极限
Tj=110°C
4在 T a=50°C、T j=125°C 且没有铜散热区时在开放框架设计中计算的最大输入功率。
5 T j=110°C
6在 T a=50°C、T j=125°C 且没有铜散热区时在开放框架设计中计算的最大输入功率。
7在 T a=50°C、T j=125°C 且具有 232mm2 2 oz 铜散热区时在开放框架设计中计算的最大输入功率。
2DFR=数字频率降低;PPL=
3
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ICE2QRxx65/80x
9
设计公式
参考图 2 中的典型应用图,将一些有用的设计公式汇总在下表中(参照数据手册中的符号):
变压器计算(准谐振反激式)
Vin_min=85Vdc, Vin_max=400Vdc,
输入数据
Vdc_max=515V(650V MOSFET),550V(800V MOSFET)
匝数比
初级电感
fsw_LF =在低电源电压全负载下的建议开关频率: 40~65kHz
CDS = MOSFET 的漏源电容(包括 MOSFET 的 Co(er))
初级峰值电流
初级绕组匝数
次级绕组匝数
辅助绕组匝数
ICE2QRxx65/80x 外围元件设计
电流感测电阻器
VCC 电容器
tstartup = 系统启动时间;建议 C VCC ≥ 22μF
ZC 电阻器
Vout_OVP =输出 OVP 电压;VBUS_S=用于维持最大输出功率的大容量电容器电压
ZC 电容器
tdelay 可以取 100ns; fosc2 = 次级侧电流降至 0A 后测得的漏极振荡频率(参考图 3)
进入突发模式的
功率
fsw_bb = 进入突发模式前的开关频率
离开突发模式的功
率
fsB = 突发模式中的开关频率
请参考以下资料,了解更多有用的计算公式。
设计指南
2011 年 8 月 8 日
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准谐振 CoolSET 设计指南
ICE2QRxx65/80x
10
参考资料
[1]
使用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS01 的反激式变换器设计技巧,英飞凌科技公司, 2006。 [ANPS0005]
[2]
使用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS01 设计变换器,应用说明,英飞凌科技公司,2006。[ANPS0003]
[3]
确定用 ICE2QS01 设计的准谐振反激式变换器的开关频率,英飞凌科技公司,2006。[ANPS0004]
[4]
带准谐振 PWM 控制器 ICE2QR4780Z 的 12W 5V 评估板,应用说明,英飞凌科技公司 2011。
[5]
带准谐振 PWM 控制器 ICE2QR4765 的 12W 5V 评估板,应用说明,英飞凌科技公司 2010。
[6]
带准谐振 PWM 控制器 ICE2QR0665 的 20V 40W 评估板,应用说明,英飞凌科技公司 2009。
[7]
带准谐振 PWM 控制器 ICE2QR2280G 的 20W 5V 评估板,应用说明,英飞凌科技公司 2011。
[8]
带准谐振 PWM 控制器 ICE2QS03G 的 36W 12V 评估板 AN-EVALQRS – ICE2QS03G ,应用
说明,英飞凌科技公司, 2009
[9]
数据手册,ICE2QR0665,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS 的 DIP8 封装离线 SMPS 准谐
振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[10]
数据手册,ICE2QR1765,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DIP8 封装离线 SMPS 准谐
振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[11]
数据手册,ICE2QR4765,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DIP8 封装离线 SMPS 准谐
振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[12]
数据手册,ICE2QR0680Z,“带集成式 800V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DIP7 封装离线 SMPS 准
谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[13]
数据手册,ICE2QR2280Z,“带集成式 800V 启动元件/耗尽型 CoolMOS 的 DIP7 封装离线 SMPS 准
谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[14]
数据手册,ICE2QR4780Z,“带集成式 800V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DIP7 封装离线 SMPS 准
谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[15]
数据手册,ICE2QR0665Z,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DIP7 封装离线 SMPS 准
谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[16]
数据手册,ICE2QR1065Z,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS 的 DIP7 封装离线 SMPS 准
谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[17]
数据手册,ICE2QR1765Z,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DIP7 封装离线 SMPS 准
谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[18]
数据手册,ICE2QR4765Z,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DIP7 封装离线 SMPS 准
谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[19]
数据手册,ICE2QR0665G,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DSO12 封装离线 SMPS
准谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[20]
数据手册,ICE2QR1765G,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DSO12 封装离线 SMPS
准谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[21]
数据手册,ICE2QR4765G,“带集成式 650V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DSO12 封装离线 SMPS
准谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
[22]
数据手册,ICE2QR2280G,“带集成式 800V 启动元件/耗尽型 CoolMOS® 的 DSO12 封装离线 SMPS
准谐振 PWM 控制器”,英飞凌科技公司
®
®
®
设计指南
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