多功能器件ICE3BS03JG在中等功率應用的方案分析

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元件的應力。

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封裝中的技術和特性，ICE3BS03LJG成為一個適用于中等功率應用的完善解決方案。

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；采用頻率抖動技術的軟柵驅動，電磁干擾更低；內(nèi)置軟啟動；采用傳輸時延補償技術以實現(xiàn)嚴格的功率控制；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、芯片功耗以及開關元件的開關損耗。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，從而通過在負載較小時交替突發(fā)“打開”和“關斷”開關元件，以大大降低有效開關頻率。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，ICE3BS03LJG可以使系統(tǒng)實現(xiàn)超低待機功耗。

對于60W的演示板，其在無負載時測得的待機功耗為58.48mW，在交流輸入電壓為265V，負載為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。

在輕負載工作期間，反饋電壓隨著負載的減小而降低。當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，這意味著在這種工作模式下芯片一直在調節(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。當反饋電壓升至3.5V時，系統(tǒng)將開始開關操作，這意味著輸出電壓降低到調節(jié)范圍的下限。在突發(fā)“導通”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。當輸出負載提高到正常負載時，反饋電壓將隨著輸出電壓的降低而增大。當它達到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，負載跳變的響應速度很快，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：頻率抖動和軟柵驅動。

頻率抖動周期性地改變開關頻率，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頻率的±4%，65kHz ±2.6kHz，開關調制周期為4ms（250Hz）。

圖560W ICE3BS03LJG演示板的傳導EMI圖

軟柵驅動技術將柵級驅動斜坡分割成兩段，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軟柵驅動波形

傳輸時延補償技術實現(xiàn)嚴格的功率控制

對于某些應用而言，嚴格的功率控制十分重要，這也是大多數(shù)應用所期望的。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系，從而相應地自動調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演示板測量結果

增強保護實現(xiàn)可靠系統(tǒng)設計

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，才能復位到正常工作模式。該器件設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，嚴格的最大功率控制，強健的保護功能等。所有的這些技術和特性使得ICE3BS03LJG成為中等功率電源應用的最佳解決方案。

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