ICE5QRxx80BG-1：第五代準諧振集成電源IC的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的電源IC至關重要。今天，我們就來深入了解一下英飛凌的ICE5QRxx80BG-1，這是一款CoolSET? 5th generation Quasi Resonant Plus集成電源IC，專為離線開關電源優化設計。

文件下載：Infineon Technologies ICE5QRxx80BG-1 CoolSET?轉換器.pdf

產品概述

ICE5QRxx80BG-1采用共源共柵配置，集成了兩顆獨立芯片：一顆控制器芯片和一顆高壓MOSFET芯片。這種集成設計不僅節省了電路板空間，還提高了系統的可靠性和性能。該系列產品具有低電磁干擾（EMI）、高效率、低待機功耗等優點，適用于多種應用場景。

產品特性

1. 強大的硬件集成

• 集成800V雪崩耐用CoolMOS?：能夠承受高電壓沖擊，提高了系統的可靠性和穩定性。
• 高引腳電壓額定值：方便系統設計，降低了設計難度。

2. 先進的工作模式

• 新型準諧振操作：通過專有的實現方式，有效降低了EMI，提高了系統的電磁兼容性。
• 數字頻率降低：隨著負載的減小，實現數字頻率降低，提高了系統效率。
• 主動突發模式（ABM）：具有可選的功率水平，可實現最低待機功耗小于100mW。通過改變FB引腳的不同電阻$R_{Sel}$，可以選擇不同的突發模式閾值，適應不同的應用需求。

3. 快速啟動與高效運行

• 共源共柵配置實現快速啟動：能夠在短時間內達到穩定的工作狀態，提高了系統的響應速度。
• 最小開關頻率差：在低線和高線之間實現最小開關頻率差，提高了系統效率和降低了EMI。

4. 全面的保護功能

• 逐周期峰值電流限制：防止電流過大，保護芯片和系統安全。
• 最大開/關時間限制：避免啟動和關機期間產生可聽噪聲。
• 多種自動重啟模式保護：包括VCC過壓、欠壓、過載/開環、線路/輸出過壓、欠壓、過溫等保護功能，確保系統在各種異常情況下能夠自動恢復正常工作。

5. 環保設計

• 無鉛引腳鍍層：符合環保要求，減少對環境的污染。
• 無鹵模塑料：滿足環保法規，提高了產品的可持續性。
• 符合RoHS標準：確保產品符合國際環保標準。

潛在應用

ICE5QRxx80BG-1適用于多種應用場景，包括：

• 家電輔助電源：如電視、PC和服務器等。
• 藍光播放器、機頂盒和LCD/LED顯示器：為這些設備提供穩定的電源支持。

產品驗證

該產品根據JEDEC標準進行了驗證，確保了產品的質量和可靠性。這意味著工程師可以放心地將其應用于各種設計中。

功能詳細解析

1. VCC預充電和啟動過程

當施加線路輸入電壓時，整流電壓出現在電容器$C{BUS}$上。上拉電阻$R{STARTUP}$為CoolMOS?的輸入電容$C{ISS}$充電，逐漸產生一個電壓。當$C{ISS}$上的電壓足夠高時，通過變壓器的初級電感$L{P}$、CoolMOS?和內部二極管D3，以兩步恒流源$I{VCCCharge 1}$和$I{VCCCharge 2}$為CoolMOS?和VCC電容器充電。在啟動過程中，一個非常小的恒流源$(I{VCCCharge 1})$為VCC電容器充電，直到VCC達到$V{CCSCP}$，以保護控制器免受VCC引腳短路到地的影響。之后，第二步恒流源$(I{VCCCharge 3})$繼續為VCC電容器充電，直到VCC電壓超過開啟閾值$V{CCON}$。VCC預充電時間可以通過公式$t{1}=t{A}+t{B}=frac{V{V C C{_} S C P} × C{V C C}}{I{V C C{-} C h a r g e 1}}+frac{left(V{V C C{-} O N}-V{V C C{-} S C P}right) × C{V C C}}{I{V C C{-} C h a r g e 3}}$計算。

2. 軟啟動

ICE5QRxx80BG-1在啟動時采用軟啟動功能，預設軟啟動時間為$t{ss}$（12ms），分4步進行。在軟啟動過程中，功率MOSFET、二極管和變壓器上的開關應力最小化。如果不受其他功能限制，CS引腳的峰值電壓將從0.3V逐步增加到$V{CSN}$，最終由正常反饋回路接管控制。在軟啟動的前3ms內，振鈴抑制時間設置為$t{ZCD_RS2}$，以避免由于關斷振蕩噪聲引起的不規則開關。零交叉計數器（ZC計數器）在軟啟動期間設置為1。

3. 正常運行

在正常運行期間，ICE5QRxx80BG-1通過數字信號處理電路和模擬電路協同工作。數字電路包括一個上下計數器、一個零交叉計數器（ZC計數器）和一個零計數比較器，模擬電路包括一個電流測量單元和一個電流限制比較器。開關的開啟和關閉時間分別由數字電路和模擬電路確定。

數字頻率降低

為了減少低線和高線之間的開關頻率差異，實現了最小ZC計數確定功能。當VIN小于$V_{VINREF}$（代表低線）時，最小ZC計數設置為1；當VIN高于$V{VINREF}$時，最小ZC計數設置為3。同時，為了在低線和高線之間進行穩定的交流線路選擇，設置了具有一定消隱時間的滯后$V{VINREF}$。上下計數器存儲零交叉的數量，該數量決定了變壓器去磁后開啟CoolMOS?的谷值數量。上下計數器的值根據反饋電壓$V{FB}$進行更新，反饋電壓$V{FB}$每48ms檢查一次，并與三個閾值電壓$V{FB underline LHC}$、$V{FB underline HLC}$和$V{FB underline R}$進行比較。根據比較結果，上下計數器可以增加、減少或保持不變。

振鈴抑制時間

當CoolMOS?關斷時，由于漏感和MOSFET寄生電容，漏極會出現電壓振蕩，這會反映在ZCD電壓$V{ZCD}$上。為了避免由于這種振蕩導致CoolMOS?誤觸發，實現了振鈴抑制定時器。抑制時間取決于$V{ZCD}$，如果$V{ZCD}$低于閾值$V{ZCDRS}$，則應用較長的時間$t{ZCDRS2}$；如果$V{ZCD}$高于閾值，則設置較短的時間$t_{ZCD_RS1}$。

開關開啟和關閉確定

開關開啟時間在振鈴抑制時間之后確定，當ZC計數器值等于上下計數器值時，門極驅動可以開啟。如果初級電感和MOSFET寄生電容之間的振蕩衰減非常快，IC無法檢測到零交叉事件，則設置了最大關斷時間$t{OffMax}$，當門極驅動關斷時間超過$t{OffMax}$時，門極驅動將再次開啟，以防止開關頻率低于20kHz，避免產生可聽噪聲。開關關閉時間由初級電流感測決定，當感測到的電壓$V{1}$超過反饋電壓$V{FB}$時，主功率開關關閉。為了避免由于主功率開關開啟時分流電阻上的電壓尖峰引起的誤觸發，應用了前沿消隱時間$t_{CSLEB}$。同時，IC還設置了最大開啟時間$t{OnMax}$，以防止由于開啟時間過長導致開關頻率過低。

調制門極驅動

驅動級經過優化，考慮了EMI因素。在達到CoolMOS?開啟閾值之前，開關開啟速度減慢，通過對驅動器輸出的上升沿進行斜率控制，最小化了開啟時的前沿開關尖峰。

電流限制

通過電流限制比較器實現了逐周期電流限制，以提供過流檢測。CoolMOS?的源極電流通過感測電阻$R{CS}$進行感測，轉換為感測電壓$V{CS}$并輸入到CS引腳。如果$V{CS}$超過內部電壓限制，比較器將立即關閉門極驅動。為了補償總線電壓變化對輸出功率的影響，內部峰值電流限制電路$(V{CS})$和ZC計數會根據總線電壓進行調整。

4. 主動突發模式（ABM）

在輕負載條件下，IC進入主動突發模式操作，以最小化功耗。突發模式的進入水平可以通過改變FB引腳的不同電阻$R{Sel}$進行選擇，有兩個級別可供選擇，分別針對低范圍和高范圍的主動突發模式功率。進入主動突發模式操作需要滿足三個條件：反饋電壓低于閾值$V{FBEBLX}$；上下計數器達到其最大值（低線為8，高線為10）；上述兩個條件在一定的消隱時間$t{FB underline B E B}$（20ms）后仍然滿足。進入突發模式后，反饋電壓$V{FB}$隨著輸出電壓$V{0}$的下降而上升，當$V{FB}$達到$V{FBBOn}$時，開關恢復。當$V{CS}$達到$V_{CSBLX}$時，CoolMOS?關閉。如果輸出負載仍然較低，$V{FB}$在PWM部分工作時下降，當$V{FB}$達到閾值$V{FB underline BOff}$時，內部電路再次復位，PWM部分禁用，直到$V{FB}$增加到$V{FBBOn}$。當有高負載跳變時，反饋電壓立即增加，當超過閾值$V{FBLB}$時，IC離開主動突發模式。離開突發模式后，門極驅動只有在檢測到零交叉$(V{Z C D}

5. 保護功能

ICE5QRxx80BG-1提供了多種保護功能，包括線路過壓、欠壓、VCC過壓/欠壓、過載、輸出過壓、過溫、VCC短路到地等保護。不同的故障類型采用不同的保護模式，如非開關自動重啟、自動重啟和奇周期跳過自動重啟。這些保護功能確保了系統在各種異常情況下的安全性和可靠性。

電氣特性

1. 絕對最大額定值

了解芯片的絕對最大額定值對于正確使用芯片至關重要。ICE5QRxx80BG-1的絕對最大額定值包括漏極電壓、脈沖漏極電流、引腳額定值、ESD魯棒性、結溫范圍和存儲溫度等。在設計過程中，必須確保芯片的工作條件不超過這些額定值，以避免芯片損壞。

2. 工作范圍和條件

芯片的工作范圍包括VCC電源電壓、控制器結溫和CoolMOS?結溫等。在這些范圍內，芯片能夠正常工作。同時，還給出了不同工作條件下的電氣特性，如VCC充電電流、電流消耗、VCC開啟/關閉閾值電壓等。這些參數為工程師在設計電路時提供了重要的參考。

應用建議

1. 輸出功率選擇

根據不同的型號和輸入電壓范圍，ICE5QRxx80BG-1的輸出功率有所不同。在選擇型號時，需要根據實際應用需求和工作條件，參考輸出功率表格進行選擇。同時，要注意實際功率可能會因具體設計而有所變化，需要進行適當的調整和驗證。

2. 熱設計

在電源供應系統中，適當的熱設計余量是必不可少的。要確保芯片的結溫不超過最大額定值，以保證系統的可靠性和穩定性。可以通過增加散熱片、優化電路板布局等方式來提高散熱效率。

3. 電路設計

在設計電路時，要注意各個引腳的功能和連接方式。例如，FB引腳用于反饋控制和突發模式控制，VIN引腳用于感測線路電壓和設置ZC計數，CS引腳用于電流感測等。同時，要合理選擇外部元件的參數，如電阻、電容等，以確保電路的性能和穩定性。

總結

ICE5QRxx80BG-1作為一款第五代準諧振集成電源IC，具有豐富的特性和強大的功能。它在低EMI、高效率、低待機功耗等方面表現出色，適用于多種應用場景。電子工程師在設計電源電路時，可以充分利用該系列產品的優勢，提高系統的性能和可靠性。同時，在實際應用中，要根據具體需求進行合理的選擇和設計，確保系統的穩定性和安全性。你在使用這款IC的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。