多功能器件ICE3BS03JG在中等功率應(yīng)用的方案分析

ICE3BS03LJG是F3 PWM控制器系列中采用DSO-8封裝的最新成員。它適用于功率在30W到100W之間的各種中等功率應(yīng)用，譬如DVD播放器/刻錄機、機頂盒、適配器等。

ICE3BS03JG是一款體積極小的多功能器件。它采用了最新的技術(shù)實現(xiàn)其功能和特性。由于采用了Bi-CMOS工藝，該器件具有更寬的工作電壓（Vcc）范圍。主動突發(fā)模式是其從之前的產(chǎn)品中所保留的最重要的特性，利用該特性，可與啟動單元一道共同實現(xiàn)最低的待機功耗。頻率抖動以及軟柵驅(qū)動特性可以有效地降低電磁干擾（EMI），并實現(xiàn)更出色的電磁輻射性能。創(chuàng)新的傳輸時延補償技術(shù)可以為寬輸入范圍提供一個精確的內(nèi)部峰值電流限制，并且可以有效地優(yōu)化轉(zhuǎn)換器和輸出二極管的尺寸。內(nèi)置軟啟動功能可以有效地降低啟動時開關(guān)元件的應(yīng)力。

另外，它還在栓鎖和自動重啟模式下提供了強大的保護功能，如過溫、VCC過壓、線圈短路、開環(huán)、過載保護等。它還提供了一個外部栓鎖保護引腳，以實現(xiàn)諸如輸出過壓、開關(guān)元件過溫等用戶定義的保護功能。為了改善過載保護功能，該器件集成了可調(diào)節(jié)屏蔽時間特性，以便在很短的時間內(nèi)提供最大輸出功率。

憑借所有的這些集成在一個微小DSO-8封裝中的技術(shù)和特性，ICE3BS03LJG成為一個適用于中等功率應(yīng)用的完善解決方案。

ICE3B503LJG特性如下：

500V啟動單元；帶有頻率抖動特性的65kHz固定開關(guān)頻率；采用BiCMOS工藝，VCC范圍更寬；主動突發(fā)模式，可實現(xiàn)最低的待機功耗；采用頻率抖動技術(shù)的軟柵驅(qū)動，電磁干擾更低；內(nèi)置軟啟動；采用傳輸時延補償技術(shù)以實現(xiàn)嚴(yán)格的功率控制；包括VCC過壓、過溫以及線圈短路的栓鎖保護模式；包括過載、開環(huán)、VCC欠壓等保護的自動重啟模式；在短時間內(nèi)提供最大功率的內(nèi)置及可擴展屏蔽窗口；外延栓鎖保護引腳。

應(yīng)用電路

由于ICE3BS03LJG是一款集成了所有的必要特性和功能的反激式PWM控制器，因此該器件的應(yīng)用電路十分簡單。僅需要連接少量的電容和電阻即可實現(xiàn)完善的電源控制功能（見圖1）。

圖160W， 16V/3.75A應(yīng)用電路

主要實用特性

主動突發(fā)模式實現(xiàn)超低待機功耗

隨著節(jié)能要求不斷提高，低待機功耗產(chǎn)品成為市場的主流。英飛凌科技公司所提出的創(chuàng)新概念就是主動突發(fā)模式。在負(fù)載較小時，主要的功耗來自外部偏置電路損耗、芯片功耗以及開關(guān)元件的開關(guān)損耗。為了減少這些損耗，首先利用一個啟動單元以消除啟動電阻所帶來的功率損耗。其次，英飛凌拋棄市場上大部分芯片所采用的雙極工藝，采用BiCMOS工藝，從而大大降低了芯片功耗。第三，該器件采用了主動突發(fā)模式，從而通過在負(fù)載較小時交替突發(fā)“打開”和“關(guān)斷”開關(guān)元件，以大大降低有效開關(guān)頻率。突發(fā)模式方案十分強健，并不會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。憑借這些技術(shù)，ICE3BS03LJG可以使系統(tǒng)實現(xiàn)超低待機功耗。

對于60W的演示板，其在無負(fù)載時測得的待機功耗為58.48mW，在交流輸入電壓為265V，負(fù)載為0.5W時的待機功耗為0.71W（見圖2）。

圖2采用ICE3BS03LJG器件的電源待機功耗

主動突發(fā)模式的控制方案如下所示。

在輕負(fù)載工作期間，反饋電壓隨著負(fù)載的減小而降低。當(dāng)VFB電壓降低到1.23V以下并持續(xù)20ms后，ICE3BS03LJG進入主動突發(fā)模式。進入主動突發(fā)模式之后，反饋控制電平被改變，以便器件工作在3.0V和3.5V之間。系統(tǒng)將在反饋電壓為3.0V時停止開關(guān)，這意味著在這種工作模式下芯片一直在調(diào)節(jié)輸出電壓。隨后，輸出電壓將緩慢下降，同時反饋控制電平將緩慢上升。當(dāng)反饋電壓升至3.5V時，系統(tǒng)將開始開關(guān)操作，這意味著輸出電壓降低到調(diào)節(jié)范圍的下限。在突發(fā)“導(dǎo)通”期間，電流讀入閥值被降低到0.25V（正?？刂频?/4），從而可以有效地降低噪聲。當(dāng)輸出負(fù)載提高到正常負(fù)載時，反饋電壓將隨著輸出電壓的降低而增大。當(dāng)它達(dá)到4.0V時，系統(tǒng)將脫離主動突發(fā)模式，并進入正常工作狀態(tài)（見圖3）。由于ICE3BS03LJG在不斷監(jiān)測反饋電壓，負(fù)載跳變的響應(yīng)速度很快，使得輸出電壓下降最小化。

圖3主動突發(fā)模式的框圖和示意圖

圖4在主動突發(fā)模式下測得的波形

圖4是測得的波形，它示意說明了在進入以及離開主動突發(fā)模式之前和之后的工作狀態(tài)。

頻率抖動和軟柵驅(qū)動降低電磁干擾

有許多種方式可以降低電磁干擾（EMI）。ICE3BS03LJG采用了兩種最有效的方式：頻率抖動和軟柵驅(qū)動。

頻率抖動周期性地改變開關(guān)頻率，從而使得測得的能量信號不會具有一個固定的頻率。相反，它會使得信號的頻率在一個頻率范圍中平坦化。在這個頻譜內(nèi)測得的平均有效信號電平低于未采用頻率抖動技術(shù)所測得的有效信號電平。圖5給出了一個使用了ICE3BS03LJG的60W演示板的傳導(dǎo)電磁干擾圖。平均數(shù)據(jù)曲線說明具有＞30dB的容限。ICE3BS03LJG所選擇的頻譜范圍寬度為開關(guān)頻率的±4%，65kHz ±2.6kHz，開關(guān)調(diào)制周期為4ms（250Hz）。

圖560W ICE3BS03LJG演示板的傳導(dǎo)EMI圖

軟柵驅(qū)動技術(shù)將柵級驅(qū)動斜坡分割成兩段，從而使得MOSFET能夠以相對于單個斜坡更慢的速度開啟（見圖6）。這種方式大大降低了ΔI/Δt噪聲，同時還降低了EMI頻譜圖上反映的噪聲信號。

圖6軟柵驅(qū)動波形

傳輸時延補償技術(shù)實現(xiàn)嚴(yán)格的功率控制

對于某些應(yīng)用而言，嚴(yán)格的功率控制十分重要，這也是大多數(shù)應(yīng)用所期望的。這款芯片保留了非連續(xù)電流模式和最大峰值電流控制特性。然而，在不同輸入電壓下的最大功率變化仍然很大（＞30%）。這是由讀入端到柵控制端之間的邏輯電路的傳輸時延所造成的。典型的傳輸時延時間大約為200ns。為了保持快速的功率控制，需要進行補償。ICE3BS03LJG利用了輸入電壓和占空比之間的反比關(guān)系，從而相應(yīng)地自動調(diào)整峰值電流限制閾值（見圖7）。最終，它可以在不同輸入線壓下，實現(xiàn)嚴(yán)格的功率控制。

圖7傳輸時延補償

對采用ICE3BS03LJG的60W演示板進行的測量表明，在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)，峰值輸出功率的變化大約為3%（見圖8）。

圖860W ICE3BS03LJG演示板測量結(jié)果

增強保護實現(xiàn)可靠系統(tǒng)設(shè)計

保護功能是決定系統(tǒng)是否可靠強健的一個重要因素。因此需要采用足夠的保護措施。

ICE3BS03LJG提供了所有必需的保護功能以確保系統(tǒng)安全工作。它提供了兩種保護功能：自動重啟動和栓鎖。自動重啟動可實現(xiàn)過載、開環(huán)、Vcc欠壓、光耦合器短路等保護。對于那些諸如Vcc過壓、過熱、線圈短路等更嚴(yán)重的故障，它將進入鎖存保護模式。一旦進入了這種保護模式，只有在Vcc電壓需要降低到6.23V以下時，才能復(fù)位到正常工作模式。該器件設(shè)置了一個靈活的外延保護引腳，從而可以滿足用戶定制保護的要求，如輸出過壓、MOSFET過熱等保護。將BL引腳連接到＜0.25V的電壓即可方便地啟用保護模式，此時芯片將進入栓鎖模式。

表1是保護模式和故障條件的列表。

表1 保護模式和故障條件

過載保護功能對于電源而言十分重要，因為它可以防止電源在長時間過載狀態(tài)下出現(xiàn)過熱的情況。然而，如果保護時間太短，對特定應(yīng)用而言就不夠靈活。

ICE3BS03LJG提供了一個屏蔽時間方案，該方案可以在經(jīng)過期望的屏蔽時間之后進入保護模式，因此它可以在提供足夠保護的同時，保持一定程度的靈活性。

這個屏蔽時間方案被劃分成兩種模式：基本模式和擴展模式。在基本模式方案中，屏蔽時間被內(nèi)置為20ms，即系統(tǒng)將在20ms的屏蔽時間之后進入保護狀態(tài)。在擴展模式方案中，可以通過在BL引腳上增加一個外部電容（CBK）以在基本模式的基礎(chǔ)上提高屏蔽時間，也就是說總的屏蔽時間=基本屏蔽時間+擴展屏蔽時間。

當(dāng)出現(xiàn)過載故障時，反饋（FB）電壓將會升高，直到4.0V。隨后屏蔽時間方案將被激活。該方案將首先進入基本模式：20ms。如果在BL引腳上沒有CBK電容，BL引腳上的電壓將立刻被一個13mA的內(nèi)部電流源從0.9V充電至4.0V。隨后，它將立即啟動自動重啟動保護功能。如果BL引腳上連有一個CBK電容，那么只有在經(jīng)過額外的充電時間，在BL引腳上的電壓被13mA電流源從0.9V充電至4.0V時，才能啟動保護功能。這個充電時間被稱為擴展屏蔽時間（見圖9）。

圖9過載保護時的屏蔽時間的框圖

總屏蔽時間T屏蔽=基本屏蔽時間+擴展屏蔽時間=20ms+

圖10給出了過載保護時在基本模式（左）以及基本加擴展模式（右）下捕獲到的屏蔽時間波形。

圖10 過載保護時的屏蔽時間：基本模式（左）和擴展模式（右）

結(jié)語

ICE3BS03LJG是英飛凌最新推出的一款功率控制芯片。它具有極低的待機功耗，良好的EMI特性，嚴(yán)格的最大功率控制，強健的保護功能等。所有的這些技術(shù)和特性使得ICE3BS03LJG成為中等功率電源應(yīng)用的最佳解決方案。

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