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采用CCM PFC控制器ICE2PCS02的300W PFC評(píng)估板介紹

發(fā)布日期：2022-07-14 點(diǎn)擊率：75

ot;display: block;">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(chǎng)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(jìn)。

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(hù)與控制水平。此外,它的優(yōu)點(diǎn)還包括VCC工作電壓范圍更寬、改良了內(nèi)部振蕩器、新增了直接大電容過壓保護(hù)等。這些優(yōu)點(diǎn)將使其應(yīng)用性能更佳,設(shè)計(jì)更靈活。下面是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)實(shí)例,該實(shí)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(hù)的輸入保險(xiǎn)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(shí)浪涌電流的串聯(lián)RT1。

功率級(jí)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(gè)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

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(shí)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(hào)。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(gè)控制環(huán)路,一個(gè)是電壓環(huán)路,一個(gè)是電流環(huán)路。分壓器R5A、R5B、R6A和 R6B檢測(cè)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(bǔ)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(cuò)誤地響應(yīng)100Hz的紋波,電壓環(huán)路補(bǔ)償電路采用低帶寬技術(shù)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)環(huán),即電流控制環(huán),在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了平均電流模式策略。瞬時(shí)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(cè)到電流后,通過R9將其反送回芯片。芯片用一個(gè)內(nèi)部運(yùn)放對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行平均,然后在驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電路的PWM發(fā)生器中進(jìn)行處理。內(nèi)部運(yùn)放對(duì)電流感應(yīng)信號(hào)的平均過程是通過對(duì)ICOMP管腳上外接的一個(gè)電容C7進(jìn)行充放電實(shí)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(dòng)器采用了快速圖騰柱柵極驅(qū)動(dòng)。它內(nèi)帶交叉?zhèn)鲗?dǎo)電流保護(hù)裝置和一個(gè)齊納二極管以保護(hù)外部晶體管開關(guān)不受意外過壓的損壞。選用柵極驅(qū)動(dòng)電阻R4的目的是限制和門控脈沖電流,并驅(qū)動(dòng)MOSFET實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)。

軟啟動(dòng)

當(dāng)Vcc腳的電平超過導(dǎo)通閾值(通常為11V)時(shí),PFC就會(huì)啟動(dòng)。這里采用的是獨(dú)特的軟啟動(dòng)機(jī)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(huì)承受很大的二極管占空比壓力。

增強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

由于PFC固有的低帶寬動(dòng)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(qiáng)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。只要輸出電壓變化超過±5%,芯片就會(huì)跳過慢補(bǔ)償運(yùn)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(shí)間內(nèi)得以恢復(fù)。

保護(hù)特性

a. 輸入欠壓保護(hù)

ICE2PCS02最獨(dú)特的新特性是增加了一個(gè)專用的輸入欠壓檢測(cè)管腳VINS。VINS管腳通過檢測(cè)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(cè)到的電壓低于,那么芯片的輸出將被關(guān)斷。只有當(dāng)VINS檢測(cè)到的電壓回升到后芯片才會(huì)被重新喚醒。需要注意的是,從欠壓保護(hù)狀態(tài)恢復(fù)時(shí),芯片仍具備軟啟動(dòng)特性。

b.開環(huán)保護(hù)

為了保護(hù)輸出,芯片還具備開環(huán)保護(hù)功能。只要VSENSE電壓下降到以下,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(shí),芯片中的大多數(shù)模塊都會(huì)被關(guān)斷,這是通過一個(gè)閾值電壓為的比較器實(shí)現(xiàn)的。

c. 輸出過壓保護(hù)

當(dāng)VOUT超過額定電壓的8%后,芯片的過壓保護(hù)OVP電路就被啟動(dòng)。過壓保護(hù)是通過檢測(cè)VSENSE管腳上的電壓相對(duì)于參考電壓的差值實(shí)現(xiàn)的。只要VSENSE上的電壓超過,柵極信號(hào)就會(huì)被立刻阻斷。

d. 軟過流控制(SOC)和峰值電流限制

當(dāng)電流檢測(cè)電路得到的電壓幅度達(dá)到時(shí),軟過流控制(SOC)就會(huì)啟動(dòng)。SOC是一種軟控制方式,它不會(huì)直接關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng),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(cè)電路得到的電壓幅度達(dá)到時(shí)啟動(dòng)。該功能啟動(dòng)后,芯片的柵極輸出會(huì)在300ns的消隱時(shí)間之后立刻關(guān)斷。

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(shí),芯片的柵極驅(qū)動(dòng)會(huì)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(shí)芯片只消耗200uA的電流。

本文小結(jié)

本文介紹的300W PFC評(píng)估板是一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)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98%的極高效率。該設(shè)計(jì)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(píng)估板。