ICE5QRxx80BG-1：第五代准谐振集成电源IC的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，选择一款合适的电源IC至关重要。今天，我们就来深入了解一下英飞凌的ICE5QRxx80BG-1，这是一款CoolSET™ 5th generation Quasi Resonant Plus集成电源IC，专为离线开关电源优化设计。

文件下载：Infineon Technologies ICE5QRxx80BG-1 CoolSET™转换器.pdf

产品概述

ICE5QRxx80BG-1采用共源共栅配置，集成了两颗独立芯片：一颗控制器芯片和一颗高压MOSFET芯片。这种集成设计不仅节省了电路板空间，还提高了系统的可靠性和性能。该系列产品具有低电磁干扰（EMI）、高效率、低待机功耗等优点，适用于多种应用场景。

产品特性

1. 强大的硬件集成

• 集成800V雪崩耐用CoolMOS™：能够承受高电压冲击，提高了系统的可靠性和稳定性。
• 高引脚电压额定值：方便系统设计，降低了设计难度。

2. 先进的工作模式

• 新型准谐振操作：通过专有的实现方式，有效降低了EMI，提高了系统的电磁兼容性。
• 数字频率降低：随着负载的减小，实现数字频率降低，提高了系统效率。
• 主动突发模式（ABM）：具有可选的功率水平，可实现最低待机功耗小于100mW。通过改变FB引脚的不同电阻$R_{Sel}$，可以选择不同的突发模式阈值，适应不同的应用需求。

3. 快速启动与高效运行

• 共源共栅配置实现快速启动：能够在短时间内达到稳定的工作状态，提高了系统的响应速度。
• 最小开关频率差：在低线和高线之间实现最小开关频率差，提高了系统效率和降低了EMI。

4. 全面的保护功能

• 逐周期峰值电流限制：防止电流过大，保护芯片和系统安全。
• 最大开/关时间限制：避免启动和关机期间产生可听噪声。
• 多种自动重启模式保护：包括VCC过压、欠压、过载/开环、线路/输出过压、欠压、过温等保护功能，确保系统在各种异常情况下能够自动恢复正常工作。

5. 环保设计

• 无铅引脚镀层：符合环保要求，减少对环境的污染。
• 无卤模塑料：满足环保法规，提高了产品的可持续性。
• 符合RoHS标准：确保产品符合国际环保标准。

潜在应用

ICE5QRxx80BG-1适用于多种应用场景，包括：

• 家电辅助电源：如电视、PC和服务器等。
• 蓝光播放器、机顶盒和LCD/LED显示器：为这些设备提供稳定的电源支持。

产品验证

该产品根据JEDEC标准进行了验证，确保了产品的质量和可靠性。这意味着工程师可以放心地将其应用于各种设计中。

功能详细解析

1. VCC预充电和启动过程

当施加线路输入电压时，整流电压出现在电容器$C{BUS}$上。上拉电阻$R{STARTUP}$为CoolMOS™的输入电容$C{ISS}$充电，逐渐产生一个电压。当$C{ISS}$上的电压足够高时，通过变压器的初级电感$L{P}$、CoolMOS™和内部二极管D3，以两步恒流源$I{VCCCharge 1}$和$I{VCCCharge 2}$为CoolMOS™和VCC电容器充电。在启动过程中，一个非常小的恒流源$(I{VCCCharge 1})$为VCC电容器充电，直到VCC达到$V{CCSCP}$，以保护控制器免受VCC引脚短路到地的影响。之后，第二步恒流源$(I{VCCCharge 3})$继续为VCC电容器充电，直到VCC电压超过开启阈值$V{CCON}$。VCC预充电时间可以通过公式$t{1}=t{A}+t{B}=frac{V{V C C{_} S C P} × C{V C C}}{I{V C C{-} C h a r g e 1}}+frac{left(V{V C C{-} O N}-V{V C C{-} S C P}right) × C{V C C}}{I{V C C{-} C h a r g e 3}}$计算。

2. 软启动

ICE5QRxx80BG-1在启动时采用软启动功能，预设软启动时间为$t{ss}$（12ms），分4步进行。在软启动过程中，功率MOSFET、二极管和变压器上的开关应力最小化。如果不受其他功能限制，CS引脚的峰值电压将从0.3V逐步增加到$V{CSN}$，最终由正常反馈回路接管控制。在软启动的前3ms内，振铃抑制时间设置为$t{ZCD_RS2}$，以避免由于关断振荡噪声引起的不规则开关。零交叉计数器（ZC计数器）在软启动期间设置为1。

3. 正常运行

在正常运行期间，ICE5QRxx80BG-1通过数字信号处理电路和模拟电路协同工作。数字电路包括一个上下计数器、一个零交叉计数器（ZC计数器）和一个零计数比较器，模拟电路包括一个电流测量单元和一个电流限制比较器。开关的开启和关闭时间分别由数字电路和模拟电路确定。

数字频率降低

为了减少低线和高线之间的开关频率差异，实现了最小ZC计数确定功能。当VIN小于$V_{VINREF}$（代表低线）时，最小ZC计数设置为1；当VIN高于$V{VINREF}$时，最小ZC计数设置为3。同时，为了在低线和高线之间进行稳定的交流线路选择，设置了具有一定消隐时间的滞后$V{VINREF}$。上下计数器存储零交叉的数量，该数量决定了变压器去磁后开启CoolMOS™的谷值数量。上下计数器的值根据反馈电压$V{FB}$进行更新，反馈电压$V{FB}$每48ms检查一次，并与三个阈值电压$V{FB underline LHC}$、$V{FB underline HLC}$和$V{FB underline R}$进行比较。根据比较结果，上下计数器可以增加、减少或保持不变。

振铃抑制时间

当CoolMOS™关断时，由于漏感和MOSFET寄生电容，漏极会出现电压振荡，这会反映在ZCD电压$V{ZCD}$上。为了避免由于这种振荡导致CoolMOS™误触发，实现了振铃抑制定时器。抑制时间取决于$V{ZCD}$，如果$V{ZCD}$低于阈值$V{ZCDRS}$，则应用较长的时间$t{ZCDRS2}$；如果$V{ZCD}$高于阈值，则设置较短的时间$t_{ZCD_RS1}$。

开关开启和关闭确定

开关开启时间在振铃抑制时间之后确定，当ZC计数器值等于上下计数器值时，门极驱动可以开启。如果初级电感和MOSFET寄生电容之间的振荡衰减非常快，IC无法检测到零交叉事件，则设置了最大关断时间$t{OffMax}$，当门极驱动关断时间超过$t{OffMax}$时，门极驱动将再次开启，以防止开关频率低于20kHz，避免产生可听噪声。开关关闭时间由初级电流感测决定，当感测到的电压$V{1}$超过反馈电压$V{FB}$时，主功率开关关闭。为了避免由于主功率开关开启时分流电阻上的电压尖峰引起的误触发，应用了前沿消隐时间$t_{CSLEB}$。同时，IC还设置了最大开启时间$t{OnMax}$，以防止由于开启时间过长导致开关频率过低。

调制门极驱动

驱动级经过优化，考虑了EMI因素。在达到CoolMOS™开启阈值之前，开关开启速度减慢，通过对驱动器输出的上升沿进行斜率控制，最小化了开启时的前沿开关尖峰。

电流限制

通过电流限制比较器实现了逐周期电流限制，以提供过流检测。CoolMOS™的源极电流通过感测电阻$R{CS}$进行感测，转换为感测电压$V{CS}$并输入到CS引脚。如果$V{CS}$超过内部电压限制，比较器将立即关闭门极驱动。为了补偿总线电压变化对输出功率的影响，内部峰值电流限制电路$(V{CS})$和ZC计数会根据总线电压进行调整。

4. 主动突发模式（ABM）

在轻负载条件下，IC进入主动突发模式操作，以最小化功耗。突发模式的进入水平可以通过改变FB引脚的不同电阻$R{Sel}$进行选择，有两个级别可供选择，分别针对低范围和高范围的主动突发模式功率。进入主动突发模式操作需要满足三个条件：反馈电压低于阈值$V{FBEBLX}$；上下计数器达到其最大值（低线为8，高线为10）；上述两个条件在一定的消隐时间$t{FB underline B E B}$（20ms）后仍然满足。进入突发模式后，反馈电压$V{FB}$随着输出电压$V{0}$的下降而上升，当$V{FB}$达到$V{FBBOn}$时，开关恢复。当$V{CS}$达到$V_{CSBLX}$时，CoolMOS™关闭。如果输出负载仍然较低，$V{FB}$在PWM部分工作时下降，当$V{FB}$达到阈值$V{FB underline BOff}$时，内部电路再次复位，PWM部分禁用，直到$V{FB}$增加到$V{FBBOn}$。当有高负载跳变时，反馈电压立即增加，当超过阈值$V{FBLB}$时，IC离开主动突发模式。离开突发模式后，门极驱动只有在检测到零交叉$(V{Z C D}

5. 保护功能

ICE5QRxx80BG-1提供了多种保护功能，包括线路过压、欠压、VCC过压/欠压、过载、输出过压、过温、VCC短路到地等保护。不同的故障类型采用不同的保护模式，如非开关自动重启、自动重启和奇周期跳过自动重启。这些保护功能确保了系统在各种异常情况下的安全性和可靠性。

电气特性

1. 绝对最大额定值

了解芯片的绝对最大额定值对于正确使用芯片至关重要。ICE5QRxx80BG-1的绝对最大额定值包括漏极电压、脉冲漏极电流、引脚额定值、ESD鲁棒性、结温范围和存储温度等。在设计过程中，必须确保芯片的工作条件不超过这些额定值，以避免芯片损坏。

2. 工作范围和条件

芯片的工作范围包括VCC电源电压、控制器结温和CoolMOS™结温等。在这些范围内，芯片能够正常工作。同时，还给出了不同工作条件下的电气特性，如VCC充电电流、电流消耗、VCC开启/关闭阈值电压等。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考。

应用建议

1. 输出功率选择

根据不同的型号和输入电压范围，ICE5QRxx80BG-1的输出功率有所不同。在选择型号时，需要根据实际应用需求和工作条件，参考输出功率表格进行选择。同时，要注意实际功率可能会因具体设计而有所变化，需要进行适当的调整和验证。

2. 热设计

在电源供应系统中，适当的热设计余量是必不可少的。要确保芯片的结温不超过最大额定值，以保证系统的可靠性和稳定性。可以通过增加散热片、优化电路板布局等方式来提高散热效率。

3. 电路设计

在设计电路时，要注意各个引脚的功能和连接方式。例如，FB引脚用于反馈控制和突发模式控制，VIN引脚用于感测线路电压和设置ZC计数，CS引脚用于电流感测等。同时，要合理选择外部元件的参数，如电阻、电容等，以确保电路的性能和稳定性。

总结

ICE5QRxx80BG-1作为一款第五代准谐振集成电源IC，具有丰富的特性和强大的功能。它在低EMI、高效率、低待机功耗等方面表现出色，适用于多种应用场景。电子工程师在设计电源电路时，可以充分利用该系列产品的优势，提高系统的性能和可靠性。同时，在实际应用中，要根据具体需求进行合理的选择和设计，确保系统的稳定性和安全性。你在使用这款IC的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。