采用CCM PFC控制器ICE2PCS02的300W PFC评估板介绍

1、采用CCM PFC控制器ICE2PCS02的300W PFC评估板介绍2007-11-19      嵌入式在线      收藏 | 打印       本文将介绍一款采用英飞凌第二代连续导通模式(CCM) PFC控制器ICE2PCS02的300W功率因素校正(PFC)电路。ICE2PCS02采用了BiCMOS技术，使用很少的外围元件即可满足PFC应用的全部要求。       为提高功率转换效率，这

2、款升压型PFC电路中使用了CoolMOSTM C3系列器件和高压碳化硅(SiC)肖特基二极管thinQ!TM。        英飞凌第一代CCM PFC控制器ICE1PCS01/02就是一款很受市场欢迎的CCM PFC产品，而采用Bi-CMOS技术的第二代ICE2PCS01/02又在第一代基础上做了一些重要的改进。        第二代ICE2PCS01/02的内部参考被调整到更低的3V，以确保精确的保护与控制水平。此外，它的优点还包括VCC工作电压范围更宽、改良了内部振荡器

3、、新增了直接大电容过压保护等。这些优点将使其应用性能更佳，设计更灵活。下面是一个典型的设计实例，该实例利用最少的外部元件达到了PFC应用的所有要求。       线路输入        ICE2PCS01/02的AC线路输入端包括用作过流保护的输入保险丝F1，用于滤除高频电流纹波的R1、L1 和 CX1，用于抑制射频干扰的扼流圈L2、X2型电容CX1和CX2以及Y1型电容CY1和CY2，以及用于限制每次上电时浪涌电流的串联RT1。     

4、60;  功率级升压型PFC转换器        在桥式整流器BR1之后，就是由L3、Q1、D1 和C2组成的升压型PFC转换器。电源开关Q1用的是采用第三代CoolMOS技术的SPP20N60C3。BR1、Q1和碳化硅二极管 D1共用同一个散热器，以保证系统产生的热量能均匀发散。输出电容C2提供能量缓冲功能，用以将100Hz的输出电压纹波降低到可接受的水平。        升压型转换器的PWM控制      

5、60; 升压型PFC转换器的PWM控制由一块8引脚的CCM PFC芯片ICE2PCS02实现。与传统PFC控制器不同的是，ICE2PCS02并不直接需要正弦波参考信号。开关频率是固定的65kHz，由芯片的内部振荡器提供。该电路中有两个控制环路，一个是电压环路，一个是电流环路。分压器R5A、R5B、R6A和 R6B检测到输出电压后，将其送至内部的误差放大器。误差放大器的输出又用于控制内电流环的电流。补偿网络C4、C5和R7构成误差放大器的外部电路。该电路允许反馈匹配各种负载条件，因此能提供稳定的控制。为了使电路不错误地响应100Hz的纹波，电压环路补偿电路采用低带宽技术实现。内环，即电流控制环，

6、在实现时采用了平均电流模式策略。瞬时电流被调节到与MOSFET的断电压DOFF以及电压环中误差放大器的输出电压成正比的水平。分流电阻R2、R2A和R2B检测到电流后，通过R9将其反送回芯片。芯片用一个内部运放对检测到的电流信号进行平均，然后在驱动栅极驱动电路的PWM发生器中进行处理。内部运放对电流感应信号的平均过程是通过对ICOMP管脚上外接的一个电容C7进行充放电实现的。        芯片由外部电压源供电，并经C8和C9滤波与缓冲。芯片的输出栅极驱动器采用了快速图腾柱栅极驱动。它内带交叉传导电流保护装置和一个齐纳二极管以保护外部晶

7、体管开关不受意外过压的损坏。选用栅极驱动电阻R4的目的是限制和门控脉冲电流，并驱动MOSFET实现快速开关。        软启动        当Vcc脚的电平超过导通阈值(通常为11V)时，PFC就会启动。这里采用的是独特的软启动机制。输入电流保持正弦并逐渐增大，直到输出电压达到额定值的80%。这样，升压二极管在大电流情况下就不会承受很大的二极管占空比压力。        增强的动态响应特性  

8、0;     由于PFC固有的低带宽动态特性，在出现负载跳变的情况下整流电路将无法提供足够快速的响应，并导致输出电压陡增或陡降。为了解决PFC应用中存在的这一问题，英飞凌公司在该芯片中增强了动态响应性能。只要输出电压变化超过±5%，芯片就会跳过慢补偿运放而直接启用非线性增益模块，从而有效改变占空比。这样，输出电压就可以在短时间内得以恢复。        保护特性        a. 输入欠压保护   

9、60;    ICE2PCS02最独特的新特性是增加了一个专用的输入欠压检测管脚VINS。VINS管脚通过检测经滤波后的输入电压分压来发现输入欠压状态。如果VINS检测到的电压低于0.8V，那么芯片的输出将被关断。只有当VINS检测到的电压回升到1.5V后芯片才会被重新唤醒。需要注意的是，从欠压保护状态恢复时，芯片仍具备软启动特性。        b.开环保护        为了保护输出，芯片还具备开环保护功能。只要VSENSE电压下降到0.6V

10、以下，即相当于VOUT降至额定电压的20以下，就说明芯片处于开环状态(也就是说VSENSE管脚没有与外部电路连接)。此时，芯片中的大多数模块都会被关断，这是通过一个阈值电压为0.6V的比较器实现的。        c. 输出过压保护        当VOUT超过额定电压的8%后，芯片的过压保护OVP电路就被启动。过压保护是通过检测VSENSE管脚上的电压相对于3.25V参考电压的差值实现的。只要VSENSE上的电压超过3.25V，栅极信号就会被立刻阻断。  

11、0;     d. 软过流控制(SOC)和峰值电流限制        当电流检测电路得到的电压幅度达到0.68V时，软过流控制(SOC)就会启动。SOC是一种软控制方式，它不会直接关断栅极驱动，而是通过控制内部模块达到减小PWM占空比的目的。        此外，芯片还提供一种周期性峰值电流限制(PCL)功能，该功能在电流检测电路得到的电压幅度达到1.04V时启动。该功能启动后，芯片的栅极输出会在300ns的消隐时间之后立刻关断。 &#

12、160;      e. 芯片供电的欠压闭锁        当VCC电压低于欠压闭锁阈值VCCUVLO(通常为11V)时，芯片的栅极驱动会被内部拉低，从而将芯片的输出保持在关断状态。此时芯片只消耗200uA的电流。         本文小结        本文介绍的300W PFC评估板是一个优秀的设计范例，它达到了近似1的功率因素和低端超过92%、高端超过

13、98%的极高效率。该设计证明，ICE2PCS02是想要最少外部元件的PFC应用的绝佳选择。 图1：评估板 图2： 电路图。  图3：PCB版图顶层图4：PCB 版图底层。 图5 图6 图7 图8 图9 图10 图11 图12 图13 图14 表1：技术规范。 表2 表3 采用BiCMOS技术的新一代CCM PFC控制器技术分类： 电源技术  | 2007-05-15 Luo Junyang，Liu Jianwei，Jeoh Meng Kiat，英飞凌科技股份公司ICE2PCS01/02属于第二代连续导通模式（CCM）PFC控制器，采用BiCMOS技术制造而成。与第一代ICE

14、1PCS01/02相比，ICE2PCS01/02具备更低的内部参考电压（3V），能够保证精确的保护和控制水平。另外该IC还具有其它一些优势，例如更宽的Vcc工作范围，更好的内部振荡器和直接的大电容过压保护功能。除了引脚 4以外，ICE2PCS02和ICE2PCS01 的其它引脚都一样：在ICE2PCS01中，引脚 4用来设定开关频率；但是在ICE1PCS02中，引脚 4用于AC欠压检测。ICE2PCS01/02专为升压型转换器而设计，只需要很少的外部元件。所有电流和电压环路补偿都是在外部实现的，从而允许用户进行完全控制。电源电压由于采用全新的BiCMOS技术，ICE2PCS01/02的电源电压

15、的工作范围从10V21V 扩展到11V26V，开启的阈值电压从11V提高到12V。门极输出输出门驱动器是一个快速的推挽式输出门极驱动电路。它具有内置的交叉导通电流保护功能。GATE引脚所能承受的最大电压通常箝位在15V（上拉）。由于采用了最 新的BiCMOS技术，GATE下拉电压从最大2V （ICE1PCS01/02）降低到最大1V（ICE2PCS01/02）。因为具有较低的GATE下拉电压，外部MOSFET能够快速地开关，从而降低了开关损耗，提高了效率。内部振荡器由于采用先进的BiCMOS技术，可以在没有噪声干扰的情况下对内部振荡器进行准确地调节。对于ICE2PCS02来讲，开关频率被固定在

16、65kHz（典型值）。对于ICE2PCS01来讲，可以通过FREQ引脚上的外部电阻对开关频率进行调节。采用大容量电容器进行电压检测和过压保护通过Vsense引脚上的电阻分压器对大电容两端的电压进行检测。Vsense电压发送至误差放大器，并且与内部参考源（用于电压环路调节）进行比较。ICE1PCS01/02的内部参考电压为5V，ICE2PCS01/02的内部参考电压为3V。由于具有不同的内部参考电压，因此需要在ICE1PCS01/02 和 ICE2PCS01/02的解决方案中分别采用不同的电阻分压器。 Vsense电压还可以应用到增强动态响应模块。ICE2PCS01/02 在Vout超过额定值+

17、5%的情况下，增强动态响应模块能够将占空比迅速调整到零。可以把该功能看作Vout过压保护。除了增强动态响应模块以外，ICE2PCS01/02还提供了额外的过压（OVP）保护，这通过直接关闭门输出来实现（当Vout超过额定值+8%时）。除增强动态响应模块之外，直接OVP关闭功能进一步提升了系统的稳定性。电流环路和电压环路调节ICE2PCS01/02的基本工作原理与ICE1PCS01/02相同。ICE2PCS01/02采用级联控制（即内部电流环路和外部电压环路）工作模式。IC的内部电流环路控制平均输入电流的正弦波形状。外部电压环路控制Vout并且调节平均输入电流的幅度。PCB布局指南为了避免PCB

18、板上电源和信号路径之间的串扰，并使IC GND引脚尽可能远离噪声，需要对GND的PCB布局进行仔细斟酌。下面给出一些GND连接的建议，图1给出了一个良好的PCB布局的例子。（1）主要功率级GND的连接规则：MOSFET源端、输出负载GND、IC辅助电源GND和Rsense电阻的PCB走线之间需要进行隔离，并且都连接到大电容的负引脚。（2）小信号IC GND的连接规则：需要与小信号GND总线相连的IC外部元件以红色高亮显示。此GND总线连到IC GND引脚上。（3）主要功率级GND和小信号IC GND之间的连接：图1中，单条PCB走线（粉红表示）直接将IC GND引脚连到功率级的最佳连接点大容量电容的负端。这