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之前我们介绍过快速设计由 ncp1623 驱动的 crm/dcm pfc 级的关键步骤中的定义关键规格与功率级设计。本文将详细说明ic控制电路设计中的细节:fb引脚电路、vctrl 引脚电路、cs/zcd 引脚电路、cszcd电阻器设计等内容。
步骤 3:ic 控制电路设计 fb 引脚电路 如图 1 所示,反馈配置包括:
一个电阻分压器,用于降低体电压,以向 fb 引脚提供反馈信号。出于安全考虑,分压器的上层电阻通常由两个或三个电阻构成。否则,rfb1 的任何意外短接都会将输出高电压施加到控制器上并将其破坏。
一个滤波电容器,通常置于 fb 引脚与接地之间,以防开关噪声令反馈信号失真。通常使用的是 1−nf 电容。一般来说,与线路电阻相比,它与反馈电阻形成的极点必须保持在非常高的频率上。实际上,
(公式18)
通常会得到较好的结果。
图 1:系统板的电路图
一个 2 型补偿网络。该电路由两个电容和一个电阻构成,用于设置交越频率和环路特性。
a 版本 (ncp1623a) 具有输入电压跟随升压(follower boost)功能。该技术涉及到降低输出电压,以优化 pfc 级效率并显著压缩其尺寸和成本。特别地,它可以显著降低升压电感和 mosfet 损耗。由于输出电压必须要高于线路电压,因此只有在低压下输出电压才会降低,而在高压条件下,输出电压将调节至默认标称电压(vout,nom 通常设置为 400v 左右)。实际上,ncp1623a 通过反馈引脚控制这一 2 级输入电压跟随升压(follower boost)操作,而反馈引脚会拉动仅在低压下启用的电流 ifb(ll)(通常为 25 μa)。
如数据表中所述,这将产生以下调节电压:
高压线输出电压 vout,hl = vout,nom:
(公式19)
低压线输出电压 vout,ll:
(公式20)
根据应用中高低压线的输出电压规格,反馈电阻值可通过下式获得:
上层反馈电阻 rfb1
(公式21)
下层反馈电阻 rfb2
(公式22)
选择 rfb1 和 rfb2 后,fb 引脚的相关功能在我们的应用中将定义如下:
反馈电阻比 kfb:
(公式23)
输入电压跟随升压(follower boost)失调电压 voff(ll):
(公式24)
高压下的 dre 进入/退出 vout :
(公式25)
进入:2.5 · 95.5% · 157 ≈ 375 v
退出:2.5 · 97.5% · 157 ≈ 383 v
低压下的 dre 进入/退出 vout :
(公式26)
进入:2.5 · 95.5% · 157 − 140 ≈ 235 v
退出:2.5 · 97.5% · 157 − 140 ≈ 243 v
高压下的 sovp 进入/退出 vout :
(公式27)
进入:2.5 v · 105% · 157 ≈ 412 v
退出:2.5 v · 103% · 157 ≈ 404 v
低压下的 sovp 进入/退出 vout :
(公式28)
进入:2.5 v · 110% · 157 − 140 ≈ 292 v
退出:2.5 v · 108% · 157 − 140 ≈ 284 v
高压下的 fovp 进入/退出 vout :
(公式29)
进入:2.5 v · 107% · 157 ≈ 420 v
退出:2.5 v · 105% · 157 ≈ 412 v
低压下的 fovp 进入/退出 vout :
(公式30)
进入:2.5 v · 114% · 157 − 140 ≈ 307 v
退出:2.5 v · 112% · 157 − 140 ≈ 300 v
高压下的 uvp 进入/退出 vout :
(公式31)
进入:0.3 v · 157 ≈ 47 v
退出:0.53 v · 157 ≈ 83 v
低压下的 uvp 进入/退出 vout :
(公式32)
进入:1.2 v · 157 − 140 ≈ 48 v
退出:1.3 v · 157− 140 ≈ 64 v
vctrl 引脚电路 为了找到“控制到输出”传递函数,输出电压将用输出电流和输出阻抗的乘积来定义。使用公式 2 并假设效率为 100%,输出电流由下式给出:
(公式33)
基于以下公式,输出电压与输出电流的偏微分等效于输出负载电阻 rload:
(公式34)
因此,输出阻抗中可以包括 δiout / δvout,而总输出阻抗为:
(公式35)
控制电压与输出电流的偏微分为:
(公式36)
因此,“控制到输出”传递函数的定义如下:
(公式37)
其中,在 a 版本中,ton.max 在低压下为 12.5 μs,在高压下为 5 μs,而 g0 为静态增益。
通过 fb 电阻网络比、ota 跨导和 vctrl 补偿网络获得“输出到控制”传递函数,如下所示:
(公式38)
其中 ictrl 是 ota 输出电流,而 zctrl(s) 是 vctrl 补偿电路阻抗。
ota 输出电流定义如下:
(公式39)
其中 gea 是 ota 跨导增益,而 vout 是直流输出电压。
使用公式 38 和公式 39,“控制到输出”传递函数可通过下式获得:
(公式40)
其中 r0 = vout / (vref · gea),而补偿网络电路是 cz、rz 和 cp ( << cz ),如图 2 所示。
图 2:fb 和 vctrl 电路
公式 37 中的极点和公式 40 中的零点位置相近,交越频率 fc 位于公式 40 中零点和第二极点之间。相位裕量 m(弧度)由 cp 调整。由此,我们得到以下公式:
反馈零电容 cz:
(公式41)
反馈零电阻 rz:
(公式42)
反馈极点电容 cp:
(公式43)
负载电阻 rload 通过下式计算:
(公式44)
交越频率 fc 应高于 pfc 升压级极点 fp:
(公式45)
最高交越频率的条件是相位裕量的最坏情况,其中线路电压为高值,以增大“控制到输出”传递函数的带宽。如果应用中的目标是 25−hz 的交越频率和 60° 的相位裕量(π/3 弧度),则采用的是:
(公式46)
cs/zcd 引脚电路 如果电流检测电阻两端的电压超过 0.5 v,电路就会检测到过流情况。因此:
(公式47)
将公式 6 中的结果合并,得到:
(公式48)
在实际情况中,将选择 0.12ω 电阻以保持一定的裕量。rsense 损耗可使用公式 10 进行计算(用 rsense 取代 rds(on)),由此得到 mosfet 导通损耗:
(公式49)
可以看到,0.12ω 的电流检测电阻在满载、低压条件下将消耗约 124 mw。
图 3:zcd 漏极感测
基于漏极感测的 zcd 电路如图 3 所示。漏电压由 cs 电阻网络进行感测,并由 kcs 按比例降低:
(公式50)
其中 kcs 为 133,而 rcs2 一般为 22 k。
rcs1 和 rcs2的值必须选择高值,以免在待机期间的功耗过高。在待机期间没有开关,rcs1 与 rcs2 串联的电压为恒定电压,等于 vmains,rms · √2。待机功耗由下式给出:
(公式51)
ncp1623 在 cs/zcd 引脚上集成了前沿消隐,从而免除了滤波电容器。cs/zcd 电路中不允许有电容器,因为这会造成 cs/zcd 信号失真,从而导致错误或无法进行 zcd 检测。使用示波器探针来探测 cs/zcd 信号时必须要小心,因为示波器探针通常会增加 10−pf 的电容。
在升压转换器中,升压电感器一个引脚的平均漏电压等于升压电感器另一个引脚上的 vin 电压,这是因为:如果忽略电感器的串联电阻,电感器两端的平均电压降在伏秒平衡中为零伏特。因此,要计算 vcs/zcd 的平均值来获得输入电压信息。
平均 vcs/zcd、vsns 被用在 zcd、线路检测、ovp2(仅限 c 版本)和掉电检测(在 a 和 c 版本中禁用)中,如下所示:
线路检测阈值:
(公式52)
(公式53)
ovp2 阈值(仅限 c 版本):
(公式54)
掉电阈值(在 a 和 c 版本中禁用):
(公式55)
(公式56)
图 4:辅助zcd 绕组感测
可以使用图 4 所示的电路图来生成 cs/zcd 引脚的信号。借助辅助绕组电压电容 caux、 raux 和 daux,可以在 daux 的阴极生成一个电压,其大小为功率 mosfet 漏电压乘以辅助 (naux) 与初级 (npri) 变压器匝数比之积。之前所述的参数 kcs 现在定义如下:
(公式57)
其中 kcs 为 133,npri/naux 为 10,而 rcs2 一般为 62 kω。
通过这种方法可以传递较低的电压,并且低 rcs1 值也降低了对寄生电容的灵敏度。
该电路的另一个优点是在待机期间没有电流消耗(没有开关活动,因此也就没有 vaux 电压)。
必须提请注意的是,激活了掉电功能的产品版本无法使用此电路。当功率 mosfet 漏电压用于 zcd 时,其他所有情况均与所述的完全相同。
cszcd 电阻器设计指南 当 rcs电阻桥在漏极感测电路(如图 3)处的总电阻位于 m 范围内时,它对低至几百 ff 的寄生电容非常敏感。寄生电容可以是从 rcs电阻器节点到 gnd 或功率 mosfet 漏极。这些寄生电容效应可导致永久性错误故障检测事件:ocp、ovs 或 ovp2 的触发,从而使控制器无法正常运行。
避免寄生电容效应的一种简单方法是减小电阻器的值,同时让分频比 kcs保持在 133 左右。降低 cs/zcd 桥电阻值 (rcs1 + rcs2 ) 是以高待机功耗为代价的。
如果图 3 中的 rcs1a + rcs1b + rcs1c 应高于 5m,建议在漏极侧设置一个 500−v smd 高值电阻器(如 rcs1a = 5.1 m),并串联两个低值 200−v smt 电阻器(如 rcs1b = rcs1c= 240 k)。这是为了避免连接到 gnd 的电阻器间电容在 fet 导通周期之前难以放电。根据经验,不建议使用 3 个等值电阻器来平衡漏电压。
测试台上的实验已证明,smd1206 和 0805 在寄生电容方面要优于槽孔电阻器。
rcs1 和 rcs2 必须尽可能靠近 cs/zcd 引脚。连接 rcs 电阻器的 pcb 走线必须尽可能短,且走线的宽度要尽可能小(最小寄生电容)。最好在 rcs 电阻器和 drv、vin、vdrain 铜走线之间保持 1 cm 的安全距离,以避免耦合。
布局和抗扰度注意事项 ncp1623 对噪声不是特别敏感。
不过,常规的电源设计布局规则还是适用的。提请注意以下几点:
必须最大程度降低功率传输回路的环路面积。
电源接地(用于提供电流回路路径)的星形配置。
电路接地的星形配置。
电路接地和电源接地应通过一条单独的路径进行连接,不允许有环路。
该路径最好满足以下条件:在非常靠近电流检测电阻 (rsense) 的接地端子的位置将电路接地连接到电源接地。
应在电路 vcc 和 gnd 引脚之间放置一个 100 或 220−nf 的电容,并确保连接长度最小。
rcs 电阻器必须尽可能靠近 cs/zcd 引脚,且必须避免与 gnd 或任何其他信号有电容耦合。
建议在 fb 引脚上放置一个滤波电容器,以保护引脚免受周围噪声的影响。不过,该电容必须要很小,不能让 fb 引脚检测到的电压出现失真。
总结 表 1:主要公式
表 1.主要公式(续)
图 5:100w 设计的系统电路图
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