中等功率电源最新AC/DC集成功率IC

1 前言

ICE3BRxx65JF系列是最新的集成功率IC；该F3R CoolSET® 系列产品采用Fullpak封装，由F3R DIP-8 CoolSET®发展而来。该系列集成了先进的MOSFET；采用CoolMOS® 技术和TO-220 6引脚Fullpak封装，它可在40W至150W的中等功率范围内工作，并削减了PCB占板空间，适用于DVD播放器/录像机、蓝光播放器/录像机、机顶盒、适配器、辅助电源、LCD监视器、LCD TV等中等功率应用。

该系列产品的两个最突出的特性是主动突发模式和频率抖动，可在待机模式下实现极高的能源效率和较低的EMI辐射。其他基本特性包括较宽的电源电压范围、软启动、适用于过载的可调消隐时间、传播延迟补偿和内置自动重启保护功能（如过压保护、过载保护、开环回路控制、过温保护、外部保护引脚等）。

ICE3BRxx65JF可轻松满足4级能效标识要求。ICE3BRxx65JF在一个Fullpak封装内集成了上述全部技术和特性，成为中等功率应用的理想解决方案。

2 重要特性

内置启动单元并具备抗雪崩能力的650V CoolMOS® 器件

具备频率抖动特性的67kHz固定转换频率

BiCMOS技术实现较宽的电源电压范围

主动突发模式实现出类拔萃的低待机功率

具备频率抖动功能的软栅极驱动可实现较低的电磁辐射

适用于过载、开环回路、过压、欠压和过温保护的自动重启保护模式

适用于短时最大系统功率的内置、可扩展消隐窗口

支持自动重启的外部保护引脚

3 应用电路

由于ICE3BRxx65JF是集成了MOSFET和全部所需特性与功能的PWM控制器，因此连接该器件的电路得到了大幅简化，可节省大量PCB空间。只需增加几个电容器和电阻器即可实现全功能电源控制装置（参考图1）。

图1 采用ICE3BR0665JF的100W、18V/5.56A基本应用电路

4 主要功能说明

4.1 主动突发模式

要想获得极低的待机功率，需要在轻载条件下最大限度缩小传导损耗和开关损耗。ICE3BRxx65JF采用自动启动单元及BiCMOS设计，可有效降低功耗于IC控制器和外置起动电阻上。不过，主要损耗来自于开关元件的开关损耗。采用主动突发模式，可根据输出负载，通过跳过转换周期的方式，降低有效开关频率。这种突发模式方案十分强健，不会导致系统不稳定，同时可实现极低的待机功率。

主动突发模式的控制方案如下文所述。

在轻载运行过程中，反馈电压会随着负载降低。当反馈电压在20毫秒之内降至1.22V以下时，ICE3BRxx65JF就会进入主动突发模式。进入主动突发模式后，反馈电压就会转换至3.1V至3.6V之间。当反馈电压达到3.1V，系统将停止转换，这意味着输出电压仍然处于调制范围。当反馈电压增大，达到3.6V时，系统开始转换，这意味着输出电压降至调制的下限。在进入主动突发模式期间，电流读入限制被降低至标准控制的四分之一，这可有效降低可听噪声。如果输出负载增大至标称负载，反馈电压会随输出电压的降低而升高。如果反馈电压达到4.5V，系统就会退出主动突发模式，恢复到正常运行状态（参考图2）。由于ICE3BRxx65JF在不断监测反馈电压，因此可快速处理负载突升情况，并有效減小输出压降。

图2 主动突发模式下的运行图表

在265V交流输入电压条件下，当负载为零时，测量的待机功率为92mW，当负载为0.3W时，待机功率为0.51W，当负载为0.5W时，待机功率为0.76W。（参考图3）

图3 采用ICE3BR0665JF 的电源的待机功率（零负载、0.3W负载和0.5W负载）

4.2 开关频率调制（频率抖动）

实施开关频率调制的目的是在一个特定频率至频率延展范围内通过整平峰值能量，获得理想的EMI性能。所选的频率延展宽度为开关频率+/-4%：67kHz ± 2.7kHz，开关频率调制期为4毫秒（250Hz）。频率调制由采用数字方法生成的内部锯齿信号实现，它可控制转换时钟的抖动模式，当信号达到波谷时，开关频率为最大值，当信号处于锯齿波形的波峰时，开关频率线性地降至最低（参考图4）。

图4 开关频率调制与测量的波形

图5为采用ICE3BR0665JF的100W系统的EMI图。从平均限制线来看，电磁辐射水平至少为5dB至10dB。

图5  ICE3BR0665JF在100W负载和230V（交流）条件下的传导性EMI图

4.3 传播延迟补偿

电流模式PWM控制器采用峰值电流控制。不过，峰值电流控制受输入电压变化的影响而变得不精确。当达到峰值电流时，由于内部逻辑电路時延，在开关脉冲停止前会产生传播延迟。传播延迟时间在IC控制器里是固定的，但峰值电流会随着电流上升时间而变化（ΔI/Δt），在低输入线电压至高输入线电压之间，峰值电流将变化3倍。较宽的输入电压范围会导致峰值电流控制不精确。这也使得最大功率控制变得不精确。

经过控制的峰值电流亦會無可避免的超过预设的峰值电流限值。超出的幅度取决于电流上升时间；电流上升的速率越快，超出的幅度就越大，电流上升速率越慢，超出的幅度就越小。一个重要的关系是电流上升速率越快，占空比就越小，电流上升速率越慢，占空比就越大。这是传播延迟补偿技术的基本原理。补偿技术根据不同的占空比变换峰值电流限值，这样在电流上升速率较快的情况下，峰值电流限值降低，在电流上升速率较慢的条件下，电流限值增大（参考图6）。采用这种补偿技术，最大功率几乎不受输入电压影响。

图6 传播延迟补偿

采用传播延迟补偿电路的ICE3BRxx65JF可有效降低峰值电流的不精确度。ICE3BR0665JF演示板经过测量，在较宽的输入电压范围内，最大峰值输出功率约为4%（参考图7）。

图7  经过测量的采用ICE3B0665JF的电源的最大功率

4.4 平均效率

分别在115Vac和230Vac电压条件下，在负载为25%、50%、 75%和100%时测量平均能效，测得的结果为85.5%和86.3%。在空载条件下，待机功率为92mW，可轻而易举地满足4级能效标识要求。4级能效标识对在115Vac和230Vac条件下的平均能效要求高于85%，对于无负载条件下的待机功率要求低于0.5W。

图8 平均能效曲线

4.5 保护特性

保护特性是确定系统是否安全和强健的主要因素之一。因此，全面的保护特性是不可或缺的。ICE3BRxx65JF具备全部所需的保护特性，可确保系统安全运行。保护特性包括：过压保护、过温保护、过载保护、开环回路控制、欠压保护、光耦合器短路保护、支持外部保护等。如果出现这些故障，系统将自动重启，这意味着系统将短暂停止运行并重新启动。如果故障持续，系统将再次停止运行，直至故障被排除，系统再次恢复正常运行。表1列示了保护特性和故障情况。

表1   保护特性列表

4.5.1 适用于过载保护的消隐时间（基本消隐时间和延长消隐时间）

过载保护对于电源而言十分重要，因为它可防止电源因长时间过载出现过热情况。不过，如果保护定时过快，对于应用而言就缺乏足够的灵活性。ICE3BRxx65JF采用消隐时间方案，在理想的消隐时间结束后实施保护，以便提供足够的保护，与此同时还可确保一定的灵活度。

消隐时间方案可分为两个模式：基本模式和延长模式。在基本模式方案中，消隐时间设置为20毫秒：即系统在20毫秒消隐时间结束后，进行保护状态。在延长模式方案中，延长消隐时间可通过在BA引脚增加外置电容器（CBK），並加在基本模式后面，即总消隐时间＝基本时间+延长时间。

在出现过载故障的情况下，反馈(FB)电压就会升高，达到4.5V。这时消隐时间方案被激活。该方案首先进入基本模式：20毫秒。如果BA引脚没有安装CBK 电容器，BA引脚的电压就会立即通过内置的电流源IBK（13uA）从0.9V升高至4.0V。然后立即触发自动重启保护。如果在BA引脚安装了CBK 电容器，只有BA引脚利用13uA电源，经过一段充电时间由0.9V升至4.0V时，才能触发保护功能。充电时间被称为延长的消隐时间（参考图9）

总消隐时间

( Basic: 基本消隐时间; Extended: 延长消隐时间)

图9  在过载保护过程中具备消隐时间的ICE3B0665JF框图

图10 显示过载保护时的基本模式（左侧）和延长模式（右侧）消隐时间的波形

图10 过载保护的消隐时间：基本模式（左侧）和延长模式（右侧）

5 结论

ICE3BRxx65JF系列F3R CoolSET® 是最新的集成功率IC。它具备一流的CoolMOS®器件、出类拔萃的低待机功率、良好的EMI性能、精确的最大功率控制及全面、灵活的保护，可轻而易举地满足4级能效标识的要求。所有这些技术和特性使ICE3BRxx65JF成为各種中等功率电源的理想产品。