采用CCM PFC控制器ICE2PCS02的300W PFC评估板介绍

英飞凌第一代CCM PFC控制器ICE1PCS01/02就是一款很受市场欢迎的CCM PFC产品，而采用Bi-CMOS技术的第二代ICE2PCS01/02又在第一代基础上做了一些重要的改进。

第二代ICE2PCS01/02的内部参考被调整到更低的3V，以确保精确的保护与控制水平。此外，它的优点还包括VCC工作电压范围更宽、改良了内部振荡器、新增了直接大电容过压保护等。这些优点将使其应用性能更佳，设计更灵活。下面是一个典型的设计实例，该实例利用最少的外部元件达到了PFC应用的所有要求。

线路输入

ICE2PCS01/02的AC线路输入端包括用作过流保护的输入保险丝F1，用于滤除高频电流纹波的R1、L1 和 CX1，用于抑制射频干扰的扼流圈L2、X2型电容CX1和CX2以及Y1型电容CY1和CY2，以及用于限制每次上电时浪涌电流的串联RT1。

功率级升压型PFC转换器

在桥式整流器BR1之后，就是由L3、Q1、D1 和C2组成的升压型PFC转换器。电源开关Q1用的是采用第三代CoolMOS技术的SPP20N60C3。BR1、Q1和碳化硅二极管 D1共用同一个散热器，以保证系统产生的热量能均匀发散。输出电容C2提供能量缓冲功能，用以将100Hz的输出电压纹波降低到可接受的水平。

升压型转换器的PWM控制

升压型PFC转换器的PWM控制由一块8引脚的CCM PFC芯片ICE2PCS02实现。与传统PFC控制器不同的是，ICE2PCS02并不直接需要正弦波参考信号。开关频率是固定的65kHz，由芯片的内部振荡器提供。该电路中有两个控制环路，一个是电压环路，一个是电流环路。分压器R5A、R5B、R6A和 R6B检测到输出电压后，将其送至内部的误差放大器。误差放大器的输出又用于控制内电流环的电流。补偿网络C4、C5和R7构成误差放大器的外部电路。该电路允许反馈匹配各种负载条件，因此能提供稳定的控制。为了使电路不错误地响应100Hz的纹波，电压环路补偿电路采用低带宽技术实现。内环，即电流控制环，在实现时采用了平均电流模式策略。瞬时电流被调节到与MOSFET的断电压DOFF以及电压环中误差放大器的输出电压成正比的水平。分流电阻R2、R2A和R2B检测到电流后，通过R9将其反送回芯片。芯片用一个内部运放对检测到的电流信号进行平均，然后在驱动栅极驱动电路的PWM发生器中进行处理。内部运放对电流感应信号的平均过程是通过对ICOMP管脚上外接的一个电容C7进行充放电实现的。

芯片由外部电压源供电，并经C8和C9滤波与缓冲。芯片的输出栅极驱动器采用了快速图腾柱栅极驱动。它内带交叉传导电流保护装置和一个齐纳二极管以保护外部晶体管开关不受意外过压的损坏。选用栅极驱动电阻R4的目的是限制和门控脉冲电流，并驱动MOSFET实现快速开关。

软启动

当Vcc脚的电平超过导通阈值(通常为11V)时，PFC就会启动。这里采用的是独特的软启动机制。输入电流保持正弦并逐渐增大，直到输出电压达到额定值的80%。这样，升压二极管在大电流情况下就不会承受很大的二极管占空比压力。

增强的动态响应特性

由于PFC固有的低带宽动态特性，在出现负载跳变的情况下整流电路将无法提供足够快速的响应，并导致输出电压陡增或陡降。为了解决PFC应用中存在的这一问题，英飞凌公司在该芯片中增强了动态响应性能。只要输出电压变化超过±5%，芯片就会跳过慢补偿运放而直接启用非线性增益模块，从而有效改变占空比。这样，输出电压就可以在短时间内得以恢复。

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保护特性

a. 输入欠压保护

ICE2PCS02最独特的新特性是增加了一个专用的输入欠压检测管脚VINS。VINS管脚通过检测经滤波后的输入电压分压来发现输入欠压状态。如果VINS检测到的电压低于0.8V，那么芯片的输出将被关断。只有当VINS检测到的电压回升到1.5V后芯片才会被重新唤醒。需要注意的是，从欠压保护状态恢复时，芯片仍具备软启动特性。

b.开环保护

为了保护输出，芯片还具备开环保护功能。只要VSENSE电压下降到0.6V以下，即相当于VOUT降至额定电压的20％以下，就说明芯片处于开环状态(也就是说VSENSE管脚没有与外部电路连接)。此时，芯片中的大多数模块都会被关断，这是通过一个阈值电压为0.6V的比较器实现的。

c. 输出过压保护

当VOUT超过额定电压的8%后，芯片的过压保护OVP电路就被启动。过压保护是通过检测VSENSE管脚上的电压相对于3.25V参考电压的差值实现的。只要VSENSE上的电压超过3.25V，栅极信号就会被立刻阻断。

d. 软过流控制(SOC)和峰值电流限制

当电流检测电路得到的电压幅度达到0.68V时，软过流控制(SOC)就会启动。SOC是一种软控制方式，它不会直接关断栅极驱动，而是通过控制内部模块达到减小PWM占空比的目的。

此外，芯片还提供一种周期性峰值电流限制(PCL)功能，该功能在电流检测电路得到的电压幅度达到1.04V时启动。该功能启动后，芯片的栅极输出会在300ns的消隐时间之后立刻关断。

e. 芯片供电的欠压闭锁

当VCC电压低于欠压闭锁阈值VCCUVLO(通常为11V)时，芯片的栅极驱动会被内部拉低，从而将芯片的输出保持在关断状态。此时芯片只消耗200uA的电流。

本文小结

本文介绍的300W PFC评估板是一个优秀的设计范例，它达到了近似1的功率因素和低端超过92%、高端超过98%的极高效率。该设计证明，ICE2PCS02是想要最少外部元件的PFC应用的绝佳选择。

图1：评估板。

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图2： 电路图。

图3：PCB版图顶层。

图4：PCB 版图底层。

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图5

图6

图7

图8

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图9

图10

图11

图12

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图13

图14

表1：技术规范。

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表2

表3

作者：Luo Junyang

高级工程师,

Liu Jian Wei

高级工程师,

Jeoh Meng Kiat

总工程师

英飞凌科技公司