600V 800V MOSFET 在準(zhǔn)諧振模式是,反激變換器效率對比

1、用于準(zhǔn)諧振反激式變換器的新型數(shù)字系統(tǒng)解決方案Mao Mingping、He Yi 和 Jeoh Meng Kiat英飛凌科技亞太有限公司8 Kallang Sector, Singapore 3492821 簡介與模擬電源管理 IC 相比，數(shù)字 IC 可以實現(xiàn)設(shè)計更靈活、集成度更高且允許更大生產(chǎn)公差的系統(tǒng)解決方案。本文將介紹可提高系統(tǒng)性能的用于準(zhǔn)諧振反激式控制器的數(shù)字電路。在能源問題受到越來越廣泛關(guān)注的今天，大部分電源標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了滿載時的效率，而且還規(guī)定了整個負載范圍內(nèi)的平均效率。例如，能源之星 2.0（Energy Star 2.0） 1規(guī)定的平均效率為 87%。數(shù)字降頻方法可以更方便地提

2、高平均效率。另外，數(shù)字電路可以更精確地模擬非線性的最大輸入功率極限曲線。英飛凌新型 ICE2QS02G 控制器2將這些數(shù)字特性與其他必要功能融合在一起，為客戶提供卓越的系統(tǒng)解決方案。2 ICE2QS02G 的數(shù)字特性2.1數(shù)字降頻帶來負載降低由于其開關(guān)損耗比固定頻率的反激式變換器低且 EMI 性能更好，準(zhǔn)諧振反激式變換器得到了廣泛的應(yīng)用。準(zhǔn)諧振反激式變換器面臨的挑戰(zhàn)之一是其開關(guān)頻率隨輸出功率的下降而上升。這抵消了通過準(zhǔn)諧振方式工作而帶來的效率提升，特別是在中等負載或低負載條件下。為了解決這一問題，英飛凌的準(zhǔn)諧振 PWM 控制器 IC ICE2QS02G 采用了數(shù)字降頻策略。ICE2QS02G同

3、時采用數(shù)字信號處理電路和模擬信號處理電路。數(shù)字信號處理電路包括一個加/減計數(shù)器、一個過零信號計數(shù)器（ZC-計數(shù)器)和一個數(shù)字比較器；模擬電路包括一個電流測量單元和一個比較器。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間點分別由數(shù)字電路和模擬電路決定。加/減計數(shù)器儲存變壓器退磁后主電源開關(guān)接通之前應(yīng)忽略的過零信號數(shù)，該存儲數(shù)由反饋電壓 VFB 確定。VFB 中包含了輸出功率的信息。因此，加/減計數(shù)器中的存儲數(shù)隨 VFB 的數(shù)值而改變，以實現(xiàn)根據(jù)輸出功率的變化來調(diào)整功率 MOSFET 的關(guān)斷時間。加/減計數(shù)器存儲數(shù)的變化與反饋電壓之間的關(guān)系如表 1 所示。在每個 48 毫秒的時鐘周期內(nèi)，內(nèi)部電路將反饋電壓 VFB 分別與 V

4、RL、VRH 和 VRM 這三個閥值電壓進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，加/減計數(shù)器的存儲數(shù)相應(yīng)增加、保持不變或減少。對于 ICE2QS02G，過零信號的數(shù)量被限制在 7 個以內(nèi)，因此加/減計數(shù)器的存儲數(shù)也在 1 和 7 之間變動，而對于任何超1出這一范圍的計數(shù)則不予理會。當(dāng) VFB 超過 VRM 電壓時，加/減計數(shù)器的存儲數(shù)被初始化為 1，以使系統(tǒng)能對負載的突然增加迅速做出反應(yīng)。在啟動時，加/減計數(shù)器也被初始化為1，以確保滿載啟動時的效率最高。操作條件加/減計數(shù)器VREG 始終低于 VRL+1 至 7VREG 高于 VRL 一次，但始終低于 VRH保持不變VREG 高于 VRH 一次，但始終低于 V

5、RM從-1 計數(shù)，直至 1VREG 高于 VRM 一次設(shè)置為 1表 1：加/減計數(shù)器的操作ZC 計數(shù)器存儲 MOSFET 被關(guān)斷后的過零信號數(shù)。VZC 的降壓斜坡每與 100 毫伏的閥值交叉一次，一個過零信號就被檢測到，ZC 計數(shù)器的存儲數(shù)相應(yīng)增加 1。一旦 ZC 計數(shù)器的存儲數(shù)與加/減計數(shù)器的存儲數(shù)相等，MOSFET 就導(dǎo)通。在滿載和輕載工作條件下，MOSFET分別在電壓Vds的第一個和第七個波谷的谷底導(dǎo)通，如圖1所示。在輕載工作條件下，開關(guān)頻率被有效地降低到一個相當(dāng)?shù)偷乃?，同時谷底的開關(guān)動作仍可有效進行，從而確保了輕載時的高效率。(a) 在第一個過零信號點的谷底導(dǎo)通(b) 在第七個過零信

6、號點的谷底導(dǎo)通圖 1：數(shù)字降頻使MOSFET在不同的過零信號點導(dǎo)通圖1還清楚地顯示了數(shù)字降頻策略的實施結(jié)果，即：不僅開關(guān)頻率被降低至相當(dāng)?shù)偷乃?，而且還確保在整個負載范圍內(nèi)，開關(guān)動作均在谷底進行。2.2內(nèi)置數(shù)字軟啟動功能2ICE2QS02 具備的軟啟動功能是一種數(shù)字時基功能。在啟動階段開始時，IC 提供持續(xù)時間為 20 毫秒的軟啟動，共分為五步。在此期間，最大初始電流由內(nèi)部參考電壓予以限制。內(nèi)部參考電壓從 1.8 伏上升至 4 伏，此后以 0.55 伏為增量逐級上升。因此，在軟啟動期間，Vcs（綠色線）逐級上升，從而將開關(guān)、二極管和變壓器的開關(guān)應(yīng)力有效控制在最小范圍內(nèi)。2.3數(shù)字折彎點校正當(dāng)母

7、線電壓上升時，導(dǎo)通時間縮短，工作頻率相應(yīng)增加。這樣一來，相對于恒定的初始極限電流，可能的最大輸出功率上升，而變換器可能不支持如此大的輸出功率。為避免這種情況，內(nèi)部折彎點校正電路會根據(jù)母線電壓調(diào)整Vcs電壓的極限。此時，流出ZC管腳的電流被用來檢測功率MOSFET導(dǎo)通期間的輸入線電壓。如果該電流大于500 A，則根據(jù)該電流與 500 A這一閥值之間的差額生成一個偏差值，用于降低Vcs的最大限額。在確保輸入功率恒定的情況下，可以通過模擬來確定Vcs-max與Vin之間的非線性關(guān)系，如圖2所示。由于采用數(shù)字解決方案，ICE2QS02可以比常規(guī)的模擬解決方案更方便地實現(xiàn)這種非線性關(guān)系。另外，采用數(shù)字模

8、塊后，控制性能受IC的生產(chǎn)公差的影響也很小。圖 2： VCS極限電壓隨Vin電壓的變化3 設(shè)計實例本文介紹了一個采用ICE2QS02G的80W準(zhǔn)諧振反激式開發(fā)板，其輸入電壓范圍為交流85265V，輸出額定功率為80W，輸出電壓/電流為20V/4A，在低電壓和滿載條件下的開關(guān)頻率設(shè)定為67kHz。3.1設(shè)計技巧3除ICE2QS02G中采用的數(shù)字降頻策略外，較高的反射電壓也對準(zhǔn)諧振反激式產(chǎn)品設(shè)計比較有利，因為較高的反射電壓可以在降低峰值電流的同時提供更長的占空比、實現(xiàn)真正的零電壓開關(guān)并顯著降低次側(cè)電壓應(yīng)力。英飛凌的800V CoolMOS產(chǎn)品在提高阻斷電壓的同時，降低了傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，從而可以

9、優(yōu)化變壓器的設(shè)計，在實現(xiàn)更高效率的同時，改善其EMI性能。3.2效率測試結(jié)果9291.149190.8191.1390.5390.590.499090.12898888.71878686.71858484.13220Vac Input110Vac Input830255075100Output Power (%)(a) 采用 600V CoolMOS SPP15N60C3 時的(b)采用 800V CoolMOS SPA17N80C3 時的效率效率圖 3： 采用不同電壓等級的 CoolMOS的變換器的效率圖中文字：Efficiency：效率ac Input：交流輸入Output Power：輸

10、出功率為了驗證數(shù)字降頻策略對提升效率所具有的效果，并比較不同反射電壓對效率的影響，我們設(shè)計了兩種采用 ICE2QS02G 且不帶同步整流的準(zhǔn)諧振反激式變換器原型，其設(shè)計細節(jié)請見參考文獻5。其中一個原型采用 600V CoolMOS SPP15N60C3 （Rdson=0.28ohm）和 113V 的反射電壓4，另一個采用 800V CoolMOS SPA17N80C3（Rdson=0.29ohm）和 144V 的反射電壓3。從圖 3 所示的效率測試結(jié)果可以看出，采用數(shù)字降頻策略可以顯著提高系統(tǒng)的綜合效率。從圖 3（b）中還可看出，采用 CoolMOS 800V 的方案甚至在低電壓和高電壓兩種條件下都達到了 90%的超高效率，比采用 CoolMOS 600V 的方案提高了1.5%。44 結(jié)論數(shù)字電源管理IC可以顯著提高設(shè)計的靈活性，達到更高的集成度。以準(zhǔn)諧振反激式PWM控制器 IC 領(lǐng)域為例，在很寬的負載范圍內(nèi)，采用數(shù)字降頻策略的部分?jǐn)?shù)字化的電源 IC ICE2QS02G可實現(xiàn)較高的平均效率和良好的EMI性能。ICE2QS02G還擁有其他數(shù)字特性，如數(shù)字軟啟動和數(shù)字折彎點校正，使其成為一種安全可靠的電源系統(tǒng)解決方案。參考文獻：1 “ 能源之星” 關(guān)于外接電源的要求（2.0 版本），美國環(huán)境保護署，2008 年2 ICE2QS02G 產(chǎn)