《600V 800V MOSFET 在准谐振模式是,反激变换器效率对比.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《600V 800V MOSFET 在准谐振模式是,反激变换器效率对比.docx（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、用于准谐振反激式变换器的新型数字系统解决方案Mao Mingping、He Yi 和 Jeoh Meng Kiat英飞凌科技亚太有限公司8 Kallang Sector, Singapore 3492821 简介与模拟电源管理 IC 相比，数字 IC 可以实现设计更灵活、集成度更高且允许更大生产公差的系统解决方案。本文将介绍可提高系统性能的用于准谐振反激式控制器的数字电路。在能源问题受到越来越广泛关注的今天，大部分电源标准不仅规定了满载时的效率，而且还规定了整个负载范围内的平均效率。例如，能源之星 2.0（Energy Star 2.0） 1规定的平均效率为 87%。数字降频方法可以更方便地提
2、高平均效率。另外，数字电路可以更精确地模拟非线性的最大输入功率极限曲线。英飞凌新型 ICE2QS02G 控制器2将这些数字特性与其他必要功能融合在一起，为客户提供卓越的系统解决方案。2 ICE2QS02G 的数字特性2.1数字降频带来负载降低由于其开关损耗比固定频率的反激式变换器低且 EMI 性能更好，准谐振反激式变换器得到了广泛的应用。准谐振反激式变换器面临的挑战之一是其开关频率随输出功率的下降而上升。这抵消了通过准谐振方式工作而带来的效率提升，特别是在中等负载或低负载条件下。为了解决这一问题，英飞凌的准谐振 PWM 控制器 IC ICE2QS02G 采用了数字降频策略。ICE2QS02G同
3、时采用数字信号处理电路和模拟信号处理电路。数字信号处理电路包括一个加/减计数器、一个过零信号计数器（ZC-计数器)和一个数字比较器；模拟电路包括一个电流测量单元和一个比较器。导通和关断的时间点分别由数字电路和模拟电路决定。加/减计数器储存变压器退磁后主电源开关接通之前应忽略的过零信号数，该存储数由反馈电压 VFB 确定。VFB 中包含了输出功率的信息。因此，加/减计数器中的存储数随 VFB 的数值而改变，以实现根据输出功率的变化来调整功率 MOSFET 的关断时间。加/减计数器存储数的变化与反馈电压之间的关系如表 1 所示。在每个 48 毫秒的时钟周期内，内部电路将反馈电压 VFB 分别与 V
4、RL、VRH 和 VRM 这三个阀值电压进行比较，根据比较结果，加/减计数器的存储数相应增加、保持不变或减少。对于 ICE2QS02G，过零信号的数量被限制在 7 个以内，因此加/减计数器的存储数也在 1 和 7 之间变动，而对于任何超1出这一范围的计数则不予理会。当 VFB 超过 VRM 电压时，加/减计数器的存储数被初始化为 1，以使系统能对负载的突然增加迅速做出反应。在启动时，加/减计数器也被初始化为1，以确保满载启动时的效率最高。操作条件加/减计数器VREG 始终低于 VRL+1 至 7VREG 高于 VRL 一次，但始终低于 VRH保持不变VREG 高于 VRH 一次，但始终低于 V
5、RM从-1 计数，直至 1VREG 高于 VRM 一次设置为 1表 1：加/减计数器的操作ZC 计数器存储 MOSFET 被关断后的过零信号数。VZC 的降压斜坡每与 100 毫伏的阀值交叉一次，一个过零信号就被检测到，ZC 计数器的存储数相应增加 1。一旦 ZC 计数器的存储数与加/减计数器的存储数相等，MOSFET 就导通。在满载和轻载工作条件下，MOSFET分别在电压Vds的第一个和第七个波谷的谷底导通，如图1所示。在轻载工作条件下，开关频率被有效地降低到一个相当低的水平，同时谷底的开关动作仍可有效进行，从而确保了轻载时的高效率。(a) 在第一个过零信号点的谷底导通(b) 在第七个过零信
6、号点的谷底导通图 1：数字降频使MOSFET在不同的过零信号点导通图1还清楚地显示了数字降频策略的实施结果，即：不仅开关频率被降低至相当低的水平，而且还确保在整个负载范围内，开关动作均在谷底进行。2.2内置数字软启动功能2ICE2QS02 具备的软启动功能是一种数字时基功能。在启动阶段开始时，IC 提供持续时间为 20 毫秒的软启动，共分为五步。在此期间，最大初始电流由内部参考电压予以限制。内部参考电压从 1.8 伏上升至 4 伏，此后以 0.55 伏为增量逐级上升。因此，在软启动期间，Vcs（绿色线）逐级上升，从而将开关、二极管和变压器的开关应力有效控制在最小范围内。2.3数字折弯点校正当母
7、线电压上升时，导通时间缩短，工作频率相应增加。这样一来，相对于恒定的初始极限电流，可能的最大输出功率上升，而变换器可能不支持如此大的输出功率。为避免这种情况，内部折弯点校正电路会根据母线电压调整Vcs电压的极限。此时，流出ZC管脚的电流被用来检测功率MOSFET导通期间的输入线电压。如果该电流大于500 A，则根据该电流与 500 A这一阀值之间的差额生成一个偏差值，用于降低Vcs的最大限额。在确保输入功率恒定的情况下，可以通过模拟来确定Vcs-max与Vin之间的非线性关系，如图2所示。由于采用数字解决方案，ICE2QS02可以比常规的模拟解决方案更方便地实现这种非线性关系。另外，采用数字模
8、块后，控制性能受IC的生产公差的影响也很小。图 2： VCS极限电压随Vin电压的变化3 设计实例本文介绍了一个采用ICE2QS02G的80W准谐振反激式开发板，其输入电压范围为交流85265V，输出额定功率为80W，输出电压/电流为20V/4A，在低电压和满载条件下的开关频率设定为67kHz。3.1设计技巧3除ICE2QS02G中采用的数字降频策略外，较高的反射电压也对准谐振反激式产品设计比较有利，因为较高的反射电压可以在降低峰值电流的同时提供更长的占空比、实现真正的零电压开关并显著降低次侧电压应力。英飞凌的800V CoolMOS产品在提高阻断电压的同时，降低了传导损耗和开关损耗，从而可以
9、优化变压器的设计，在实现更高效率的同时，改善其EMI性能。3.2效率测试结果9291.149190.8191.1390.5390.590.499090.12898888.71878686.71858484.13220Vac Input110Vac Input830255075100Output Power (%)(a) 采用 600V CoolMOS SPP15N60C3 时的(b)采用 800V CoolMOS SPA17N80C3 时的效率效率图 3： 采用不同电压等级的 CoolMOS的变换器的效率图中文字：Efficiency：效率ac Input：交流输入Output Power：输
10、出功率为了验证数字降频策略对提升效率所具有的效果，并比较不同反射电压对效率的影响，我们设计了两种采用 ICE2QS02G 且不带同步整流的准谐振反激式变换器原型，其设计细节请见参考文献5。其中一个原型采用 600V CoolMOS SPP15N60C3 （Rdson=0.28ohm）和 113V 的反射电压4，另一个采用 800V CoolMOS SPA17N80C3（Rdson=0.29ohm）和 144V 的反射电压3。从图 3 所示的效率测试结果可以看出，采用数字降频策略可以显著提高系统的综合效率。从图 3（b）中还可看出，采用 CoolMOS 800V 的方案甚至在低电压和高电压两种条
11、件下都达到了 90%的超高效率，比采用 CoolMOS 600V 的方案提高了1.5%。44 结论数字电源管理IC可以显著提高设计的灵活性，达到更高的集成度。以准谐振反激式PWM控制器 IC 领域为例，在很宽的负载范围内，采用数字降频策略的部分数字化的电源 IC ICE2QS02G可实现较高的平均效率和良好的EMI性能。ICE2QS02G还拥有其他数字特性，如数字软启动和数字折弯点校正，使其成为一种安全可靠的电源系统解决方案。参考文献：1 “ 能源之星” 关于外接电源的要求（2.0 版本），美国环境保护署，2008 年2 ICE2QS02G 产品说明书，英飞凌科技股份公司， 2008 年3 CoolMOS SPA17N80C3 产品说明书，英飞凌科技股份公司，2007 年4 CoolMOS SPP15N60C3 产品说明书，英飞凌科技股份公司，2007 年5 采用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS02 的 80W 评估板 AN-ICE2QS02，英飞凌科技股份公司，2008 年5