ICE1QS01及其應用電路與設計

引言
ICE1QS01是英飛凌公司推出的一種輸出功率范圍從1W到300W，帶或不帶功率因數(shù)校正（PFC）的反激式變換器控制器。該控制器IC工作在準諧振模式，典型應用包括TV，VCR，DVD播放機，衛(wèi)星接收機和筆記本電腦適配器等。
為了在輕載下降低功率消耗，ICE1QS01隨著負載的減小，其開關頻率逐步數(shù)字式地降至20kHz的最低值。同時，隨頻率降低保持準諧振模式。在從滿載到空載的整個負載范圍內，能夠平穩(wěn)工作。當工作頻率降低時，IC的數(shù)字抗抖動電路可以消除過零信號的連續(xù)跳動，尤其是可以避免電視機中因偏轉引起的負載連續(xù)變化產生的抖動。為了減小功率MOSFET的開關應力，功率晶體管總是在最低的電壓上接通。電壓調整既可利用內部誤差放大器，也可利用外部光耦合器。由于采用新的初級調節(jié)方法，在變壓器控制繞組與控制輸入之間的外部整流電路，可用一個電壓分配器來取代。在待機模式下，IC自動進入突發(fā)模式，待機輸入功率遠低于1W。保護功能包括Vcc過壓/欠壓鎖定，主線電壓欠壓關斷和電流限制等。ICE1QS01的啟動電流僅約50μA，它是一種低功耗綠色SMPS芯片。
1　芯片的封裝與電路組成及其功能與工作原理
ICE1QS01采用P-DIP-8-4封裝，引腳排列如圖1所示。表1列出了各引腳的功能。

ICE1QS01芯片主要由比較器，觸發(fā)器和數(shù)字處理電路組成，具體如圖2所示。

在圖2所示的電路中，左上角部分為折彎點（foldbackpoint）校正單元。該部分電路的功能是在MOSFET導通期間，從腳RZI流出一個電流，電流源CS4提供的0.5mA的電流被扣除，所得到的電流I4乘以0.2（即為I3），被饋送到IC的PCS腳，從而增加PCS腳外部電容的充電電壓斜率。當AC線路電壓升高時，MOSFET的導通時間縮短，最大輸出功率保持不變。主線電壓通過Vcc偏置繞組并經(jīng)連接在腳RZI上的一支電阻來檢測。
在腳RZI內部，門限電平5V和4?4V的比較器用于初級調整，門限電平1V和50mV的比較器分別是振鈴抑制時間比較器和過零信號比較器。
在圖2的右上角是計數(shù)器、定時器和比較器組成的數(shù)字頻率降低電路以及反相輸入端為VRM=4.8V與VRH=4.4V并帶VRH鎖定的比較器和反相輸入端VRL=3.5V并帶VRL鎖定的比較器。
在圖2的中央是軟啟動和通—斷（on－off）觸發(fā)器。軟啟動觸發(fā)器通過通—斷觸發(fā)器的上升沿（并利用沿檢測器ED1）置位。通—斷觸發(fā)器通過反相輸入端15V的比較器（圖2左下方）置位。該比較器上面是20V的Vcc過電壓比較器，下面是14?5V和9V的欠電壓比較器。IC腳PCS內部電阻R2連接一個開關，該開關由一個與門輸出控制，與門的輸入來自通—斷觸發(fā)器的輸出。在開關接通時，腳PCS外部電容放電到15V。當進入PCS腳的電流低于100μA時，在主線欠電壓比較器輸出產生一個低電平輸出信號。該輸出信號經(jīng)一個與門和或門電路置位脈沖鎖定觸發(fā)器，與門的另一個輸入是接通時間觸發(fā)器的反相輸出。
位于圖2中間下方的是突發(fā)觸發(fā)器和脈沖鎖定觸發(fā)器。突發(fā)觸發(fā)器由IC腳SRC內的2V比較器輸出置位。突發(fā)觸發(fā)器的輸出，連接到脈沖鎖定觸發(fā)器的置位輸入。脈沖鎖定觸發(fā)器的輸出，影響接通時間觸發(fā)器的復位輸入。接通時間觸發(fā)器的輸出，連接到IC腳OUT內的輸出緩沖器。脈沖鎖定觸發(fā)器也可由20V的過電壓比較器置位。
IC腳SRC內部的電流源CS1為SRC腳外部電容器提供500μA的放電電流。與CS1并聯(lián)的電流源CS2，通過軟啟動觸發(fā)器激活。CS2的電流通過50ms定時器控制逐步改變，以此為軟啟動產生上升的調節(jié)電壓。
一個20kΩ的上控電阻R1下端在內部連接到SRC腳，上端通過開關連接到5V的參考電壓。該開關由一個觸發(fā)器的輸出控制，該觸發(fā)器通過接通時間觸發(fā)器的輸出下降沿置位，以產生振鈴抑制時間。接通時間觸發(fā)器由過零信號經(jīng)過一個與門復位，該與門的另一個輸入是下部第二個觸發(fā)器的輸出。當RZ1腳上的脈沖高度超過44V的門限時，第二個觸發(fā)器置位。
在圖2右上部的數(shù)字頻率減小電路中，4位加/減（UP/DOWN）計數(shù)器的寄存數(shù)決定變壓器退磁后的過零信號數(shù)。過零信號計數(shù)器計數(shù)輸入過零信號，并由一個比較器檢測和放大。只要過零計數(shù)器存儲數(shù)與加/減計數(shù)器存儲數(shù)相等，比較器就發(fā)送一個輸出信號至接通時間觸發(fā)器，從而使功率MOSFET導通。為避免抖動，加/減計數(shù)器的存儲數(shù)僅在50ms定時器確定的每個50ms周期之后加1或減1改變，這種變化取于VRH和VRL鎖存狀態(tài)。如果兩個鎖存處于低態(tài)，計數(shù)器增加1。如果僅VRL鎖定置位，加/減計數(shù)器仍不變化。如果VRL和VRH被置位于高電平，加/減計數(shù)器減少1。在此之后VRH與VRL鎖定被復位。在接下來的50ms內，VRH與VRL鎖存將再次置位。當IC腳SRC上電壓VSRC<3.5V時，VRL鎖定置位，加/減計數(shù)器加1；當VSRC>4.4V時，VRH鎖定置位，加/減計數(shù)器減1。在一個大的負載跳躍這后，為能迅速調節(jié)到最大的功率電平上，只要VSRC>4.8V時，加/減計數(shù)器被置位到1（0001）。
2　應用與設計
2.1　應用實例與電路簡析
圖3是由ICE1QS01作控制器的200W高端電視機SMPS電路。該電路輸入AC90～264V，4路輸出電壓/電流分別為135V/0.75A，30V/1.2A，15V/0.5A和7V/1.2A。連接于橋式整流器輸出與大容量濾波電容C07之間線路上的電感器L08，二極管D08以及在D08正極與功率開關S01漏極之間的電容C08，組成PFC電荷泵電路。其作用是與輸入端EMI濾波器一起，可在橋式整流器輸入端產生正弦波電流。ICE1QS01內集成低功率待機突發(fā)模式電路，可使待機輸入功率低于1W。在負載減小時，利用集成數(shù)字處理電路能使開關頻率逐步降低，并不產生任何抖動。當待機開關S1斷開時，參考二極管D60導通，輸出電壓V2調節(jié)值由齊納二極管D61確定。當ICE1QS01腳4上的VSRC低于2V時，集成在芯片上的突發(fā)模式電路啟動。在激活內部突發(fā)模式比較器后，柵極驅動輸出（OUT）切換到低電平，Vcc關閉門限由正常模式下的9V增加到14-5V。在突發(fā)模式期間，MOSFET導通時間至少為其最大導通時間的1/7。在突發(fā)之間的中斷時間（tbreake）縮短，輸出紋波通過跨越在AC主線輸入與二極管D26和D27接點之間的電容C21的一個附加充電電流而降低。
二極管D62為正常模式與待機突發(fā)模式之間的過渡狀態(tài)而加入。當待機開關S1閉合但輸出V2已經(jīng)無載時，加入D62可保證在突發(fā)模式下的正常周期。當V2變低時，參考二極管D60被關斷。
ICE1QS01腳3外部電阻R38和R29充當變壓器脈沖的分壓器，腳3上的脈沖幅度約為4V。電容C29用作減小變壓器過沖。其腳2與DC干線電壓之間的電阻R22決定欠電壓鎖定門限。R22與電容C22相結合，可固定最大可能輸出功率。

2.2　主要元件選擇
2.2.1　變壓器設計要點
在圖3所示的應用電路中，變壓器T1的參量已基本標明。在此僅簡要敘述變壓器的計算公式。
首先，必須計算SMPS最大輸入功率。若SMPS最大輸出功率為Pout(max)，效率為η（通常取80％），最大輸入功率Pin(max)為

在最低AC線路電壓VAC(min)下，SMPS初級平滑電容器（如圖3中的C07）上的DC電壓VDC(min)為

式中：Fhum=0.9，為初級電容器上100Hz電壓紋波系數(shù)；
VAC(min)在通用寬范圍AC供電線路下，通常為85V或90V。
在最高AC線路電壓VAC(max)（如264V）下，初級電容器上的最高DC電壓VDC(max)為VDC(max)=VAC(max)Fcp（3）

式中：Fcp為在初級電容器上的過電壓因數(shù)，當SMPS不帶PFC時，F(xiàn)cp=1；若SMPS帶PFC，F(xiàn)cp=1.1。
通過初級繞組的最大平均電流IP(max)可由式（4）計算。

式中：Vd(max)=600V，為MOSFET允許最高漏極電壓；
Bmax=300mT，為變壓器磁芯最大允許磁通密度；

Fos為初級繞組過沖因數(shù)，當不帶PFC時，

MOSFET最大導通時間ton(max)和最大截止時間toff(max)分別可用式（8）和式（9）計算。

如果SMPS最低頻率fmin<20kHz，即進入可聞音頻范圍，應根據(jù)式（5）重新計算，Bmax取一個較低的值。 2.2.2　ICE1QS01各引腳外部主要元件的選擇考慮
對于圖3所示的應用電路，IC1（ICE1QS01）各引腳外部主要元件的選取依據(jù)如下。
1）IC1腳2（PCS）上的電阻R22與電容C22當流入腳2的電流低于100μA時，內部主線欠壓保護電路啟動。在電容C07上的最低DC電壓VDC(min)根據(jù)式（2）取114V，于是R22=1.14MΩ，可取1MΩ標準電阻。 當R22選定之后，電容C22可根據(jù)式（11）計算。

式中：Nr為變壓器（T1）調節(jié)繞組匝數(shù)。
當選取VDC(min)=114V，Nr=7匝和Np=28匝時，R38=57kΩ，可選取56kΩ標準電阻。
R29與R38組成調整繞組感應電壓的分壓器。調整繞組感應電壓（正值）為15V，考慮到初級和次級調節(jié)，R29可根據(jù)式（13）和式（14）確定。

在R38=56kΩ下，R29取值范圍為20～28kΩ。
電容C29的計算公式為
C29=1000ns/R38（15）
據(jù)此，C29可選擇22PF的陶瓷電容器。適當選擇C29可在腳3得到令人滿意的電壓波形，保證MOSFET在最小的漏極電壓上導通。 3）腳4（SRC）上接地電容C28
接電容影響調整尤其是初級調整的速度，但不影響軟啟動速度（原因是內部數(shù)字軟啟動電路被激活）。C28通常選取1．5～10nF的容值。
4）腳7（OUT）外部MOSFET柵極電阻R35
選擇R35=33～100Ω，在MOSFET功率耗散與射頻噪聲（EMI）之間提供較理想的折衷方案。 5）腳8（VCC）外部阻容元件
電容C26容量選取33μF（25V）即可。若C26過大，啟動時間過長，并且突發(fā)頻率較低。
C27充當射頻濾波電容，可選取C27=100nF。
電阻R26可用于增加突發(fā)頻率，取值范圍為0～50Ω。R37充當射頻濾波元件并對Vcc起穩(wěn)定作用，取值范圍為0～100Ω。
ICE1QS01腳5（OFC）不用接地。
3　結語
ICE1QS01是一種被優(yōu)化的新型準諧振控制器，其采用的適合于低端電視的低成本初級調節(jié)可以確保SMPS安全、可靠和有效地工作。這種調節(jié)技術因無須被隔離的次級反饋環(huán)而降低了成本。為了滿足低待機的需要，此IC特別增加了間歇模式和采用了獨特的數(shù)字式減頻特性的技術，消除了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的抖動和支持穩(wěn)定的輸出電壓。