利用綠達(dá)光電GR8830實(shí)現(xiàn)高效率,超低待機(jī)功耗小于100mW的綠色電源解決方案

具降頻省電功能之電流模式脈寬調(diào)變控制器

前言

GR8830是綠達(dá)光電專門為100MW超低待機(jī)功耗電源解決方案，以下簡單說明GR8830的工作原理及特色，高整合度的GR8830 脈寬調(diào)變控制器提供了超低起動(dòng)電流、電流模式脈寬調(diào)變控制以及綠色操作模式 (Green-mode) 功能。為了降低輕載及無載功率損耗GR8830工作于間歇節(jié)能模式 (burst mode)，它包含一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)，減少起動(dòng)線路的能量損耗。內(nèi)建的起動(dòng)開關(guān)及間歇節(jié)能工作模式，在無載條件下，當(dāng)高輸入電壓 (265V) 時(shí)，輸入功率在0.1W以下。此外，GR8830亦具有數(shù)個(gè)系統(tǒng)保護(hù)功能，如輸入電壓補(bǔ)償?shù)闹鹬芷陔娏飨拗?/span> （Cycle-by-Cycle current limiting）、過電壓保護(hù) (Over- voltage Protection)、過載保護(hù) (Over-load Protection)、短路保護(hù) (Short-circuit Protection) 及IC內(nèi)部的過溫度保護(hù) (Over-temperature Protection) 功能。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

l 可輕易實(shí)現(xiàn)空載待機(jī)功耗低于100mW

l 峰值電流模式控制 (Peak current mode control)

l 超低起動(dòng)電流

l 欠電壓閂鎖 (UVLO)

l 沒有音響噪聲的綠色操作模式 (Green-mode)

l 外部可調(diào)節(jié)切換頻率 (Switching frequency)

l 逐周期電流限制（Cycle-by-Cycle current limiting）

l 內(nèi)建波前沿遮蔽 (Leading-edge blanking)功能，避免誤觸發(fā)

l 內(nèi)建斜率補(bǔ)償電路，防止次諧波振蕩的干擾

l 軟起動(dòng)以減少對 MOSFET 和二極管的應(yīng)力 (Stress)。

l 內(nèi)建閘極輸出電壓限制及動(dòng)作頻率抖動(dòng) (jittering) 功能，減少 EMI 噪聲

l 過電壓保護(hù)于VCC接腳

l 過負(fù)載保護(hù)和短路保護(hù)

l 過電流保護(hù)

l 過溫度保護(hù)

起動(dòng)電路和欠電壓停止工作

GR8830包含一超低的啟動(dòng)電流及低起動(dòng)電壓電路，相較于傳統(tǒng)的外部啟動(dòng)電路，GR8830PWM控制器能明顯的減低待機(jī)損耗。在電源起動(dòng)時(shí)，總供電電壓與起動(dòng)電阻 (Vin_DC/R_start-up )提供起始電流使Vcc電容充電，當(dāng)Vcc電壓達(dá)到工作點(diǎn)( UVLO on)時(shí)，GR8830開始工作。當(dāng)供電電壓Vcc低于工作點(diǎn)( UVLO off)時(shí)，起動(dòng)電路會(huì)再次對Vcc電容充電，如果VCC電壓一直低于( UVLO off)時(shí)，欠電壓模式將使電路停止工作，并關(guān)閉輸出開關(guān)及其它相關(guān)電路，以減低芯片電流的損耗 (請參見圖2)。

GR8830欠電壓停止工作的開啟和關(guān)閉電壓遲滯點(diǎn)分別為15V和9V。欠電壓停止工作點(diǎn)有遲滯作用，可使起動(dòng)電容器有充分的能量供應(yīng)給芯片 (參見圖2)。建議起動(dòng)電阻選用3Mohm到6Mohm，起動(dòng)電容選用10uF到47uF之間的電容,以確保能順利起動(dòng)，同時(shí)使起動(dòng)延遲小于3秒。

沒有音響噪聲的綠能操作模式 (Green-Mode)

當(dāng)輸出負(fù)載降低，控制器也將降低頻率以減少系統(tǒng)電力的消秏。最小的操作頻率是在人類可聽到的音頻率范圍之外，大約是22 KHz。GR8830有二段節(jié)能模式,第一段稱為Burst mode,當(dāng)負(fù)載處于無載到輕載,COMP pin電壓處于低準(zhǔn)位,輸出時(shí)有時(shí)無,當(dāng)COMP pin電壓低于0.8V,輸出完全不打;當(dāng)COMP pin電壓高于1.0V,輸出恢復(fù)工作.第二段稱為線性降頻模式,當(dāng)負(fù)載處于輕載到中載,COMP pin電壓處于中間準(zhǔn)位1.3V到1.8V,輸出頻率隨負(fù)載增加而增加.當(dāng)COMP pin電壓處于1.3V,輸出22KHz頻率;當(dāng)COMP pin電壓高于1.8V,輸出65KHz頻率.以這種綠能模式可提高無載到中載的效能來達(dá)到綠能法規(guī)的要求。

如需樣品及資料，請聯(lián)系:Frank Zeng/13603075626

email:frankzeng@grenergy-ic.com Data sheet and demo board test report GR8830 GR8830

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frank_zeng

LV.5

2010-04-29 09:39

波前沿遮蔽 (Leading-Edge Blanking) 避免誤觸發(fā)

每次功率型MOSFET導(dǎo)通瞬間，會(huì)有一個(gè)不可避免的導(dǎo)通尖波發(fā)生在感應(yīng)電阻上。此導(dǎo)通尖波有可能導(dǎo)致MOSFET被關(guān)閉. 要避免此種誤觸發(fā)的情況發(fā)生，須于CS pin之前,插入一RC低通濾波. GR 8830內(nèi)部建立了430ns的遮蔽時(shí)間。因此傳統(tǒng)的RC濾波器可被省略。在遮蔽期間，過電流極限比較器是沒有作用的，并且沒辦法關(guān)閉閘極. 因此可避免的導(dǎo)通尖波將MOSFET關(guān)閉。但若PCB layout路徑過長使得CS pin電壓尖波時(shí)間超過430ns或負(fù)向電壓大于0.3V, 還是必需使用RC濾波器始系統(tǒng)運(yùn)作正常，建議使用R=510Ω， C=220pF左右的數(shù)值。實(shí)際情形可隨實(shí)測波型來選擇恰當(dāng)?shù)牧慵?shù)值。

內(nèi)部斜率補(bǔ)償防止次諧波行為

在飛馳轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用上,若采取峰值電流控制模式,且變壓器操作在連續(xù)導(dǎo)通模式,工作周期占空比大于0.5,會(huì)在輸出看到大小波的次諧波現(xiàn)像.為了避免此現(xiàn)項(xiàng)發(fā)生,在GR8830內(nèi)部提供斜率補(bǔ)償電路來消除此現(xiàn)像。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，CS接腳的感測電壓于IC內(nèi)部會(huì)加上上升率400mV/duty斜坡電壓以幫助穩(wěn)定系統(tǒng)和防止次諧波振蕩產(chǎn)生。

回復(fù)

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:14

@frank_zeng

波前沿遮蔽(Leading-EdgeBlanking)避免誤觸發(fā)每次功率型MOSFET導(dǎo)通瞬間，會(huì)有一個(gè)不可避免的導(dǎo)通尖波發(fā)生在感應(yīng)電阻上。此導(dǎo)通尖波有可能導(dǎo)致MOSFET被關(guān)閉.要避免此種誤觸發(fā)的情況發(fā)生，須于CSpin之前,插入一RC低通濾波.GR8830內(nèi)部建立了430ns的遮蔽時(shí)間。因此傳統(tǒng)的RC濾波器可被省略。在遮蔽期間，過電流極限比較器是沒有作用的，并且沒辦法關(guān)閉閘極.因此可避免的導(dǎo)通尖波將MOSFET關(guān)閉。但若PCBlayout路徑過長使得CSpin電壓尖波時(shí)間超過430ns或負(fù)向電壓大于0.3V,還是必需使用RC濾波器始系統(tǒng)運(yùn)作正常，建議使用R=510Ω，C=220pF左右的數(shù)值。實(shí)際情形可隨實(shí)測波型來選擇恰當(dāng)?shù)牧慵?shù)值。[圖片] 內(nèi)部斜率補(bǔ)償防止次諧波行為在飛馳轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用上,若采取峰值電流控制模式,且變壓器操作在連續(xù)導(dǎo)通模式,工作周期占空比大于0.5,會(huì)在輸出看到大小波的次諧波現(xiàn)像.為了避免此現(xiàn)項(xiàng)發(fā)生,在GR8830內(nèi)部提供斜率補(bǔ)償電路來消除此現(xiàn)像。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，CS接腳的感測電壓于IC內(nèi)部會(huì)加上上升率400mV/duty斜坡電壓以幫助穩(wěn)定系統(tǒng)和防止次諧波振蕩產(chǎn)生。[圖片]

閘極限制/動(dòng)作頻率抖動(dòng) (Jittering) 改善EMI噪聲

GR8830驅(qū)動(dòng)器被內(nèi)部的13V齊納二極管限制住。即使VCC超過20V,輸出頂端會(huì)被箝位住而無法過高.因過高的閘極電壓信號是不受歡迎的，常會(huì)造成MOSFET損壞。同時(shí)GR8830也有動(dòng)作頻率抖動(dòng)(jittering)功能，使EMI噪聲減到最小，此動(dòng)作頻率抖動(dòng)范圍為6%，公式如下: ((T2-T1)/Tavg.)*100%，此種作法能有效降低EMI噪音同時(shí)又不犧牲轉(zhuǎn)換器的效能。

軟起動(dòng)以減少功率組件電壓及電流應(yīng)力

在最初的通電期間，GR8830提供4ms軟起動(dòng)功能。它能有效的壓制起動(dòng)峰值電流及峰值電壓，特別是在高輸入電壓時(shí)以減少功率型MOSFET汲極電壓,避免被擊穿。剛起動(dòng)時(shí),輸出工作周期占空比是由小到大逐漸開啟,如圖六所示,在軟起動(dòng)期間CS pin電壓,采階梯波方式逐漸上升,如此于開機(jī)傳送能量時(shí)可將流經(jīng)MOSFET,二次側(cè)整流二極管的電流及電壓逐漸上升到穩(wěn)定值,而不會(huì)像傳統(tǒng)無軟起動(dòng)功能的IC，于開機(jī)瞬間產(chǎn)生電壓尖峰及電流尖峰。

過載保護(hù)和短路保護(hù)

在控制器內(nèi)部提供過負(fù)載保護(hù)功能(OLP)。GR8830內(nèi)部電路檢測COMP接腳準(zhǔn)位，當(dāng)準(zhǔn)位大于限制點(diǎn)3.6V且持續(xù)60ms以上時(shí)，閘極電壓將保持在低準(zhǔn)位關(guān)閉系統(tǒng)。如此輸出電壓及VCC電壓將因無能量補(bǔ)充而低于欠電壓停止工作點(diǎn)，這時(shí)會(huì)重置控制器。當(dāng)控制器重置時(shí),VCC pin電壓會(huì)被再次充電如圖8所示,此過程將持續(xù)重復(fù)直到過載狀況解除,此種模式稱為打嗝模式或自動(dòng)回復(fù)模式。

回復(fù)

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:17

@frank_zeng

閘極限制/動(dòng)作頻率抖動(dòng)(Jittering)改善EMI噪聲GR8830驅(qū)動(dòng)器被內(nèi)部的13V齊納二極管限制住。即使VCC超過20V,輸出頂端會(huì)被箝位住而無法過高.因過高的閘極電壓信號是不受歡迎的，常會(huì)造成MOSFET損壞。同時(shí)GR8830也有動(dòng)作頻率抖動(dòng)(jittering)功能，使EMI噪聲減到最小，此動(dòng)作頻率抖動(dòng)范圍為6%，公式如下:((T2-T1)/Tavg.)*100%，此種作法能有效降低EMI噪音同時(shí)又不犧牲轉(zhuǎn)換器的效能。[圖片] 軟起動(dòng)以減少功率組件電壓及電流應(yīng)力在最初的通電期間，GR8830提供4ms軟起動(dòng)功能。它能有效的壓制起動(dòng)峰值電流及峰值電壓，特別是在高輸入電壓時(shí)以減少功率型MOSFET汲極電壓,避免被擊穿。剛起動(dòng)時(shí),輸出工作周期占空比是由小到大逐漸開啟,如圖六所示,在軟起動(dòng)期間CSpin電壓,采階梯波方式逐漸上升,如此于開機(jī)傳送能量時(shí)可將流經(jīng)MOSFET,二次側(cè)整流二極管的電流及電壓逐漸上升到穩(wěn)定值,而不會(huì)像傳統(tǒng)無軟起動(dòng)功能的IC，于開機(jī)瞬間產(chǎn)生電壓尖峰及電流尖峰。[圖片] 過載保護(hù)和短路保護(hù)在控制器內(nèi)部提供過負(fù)載保護(hù)功能(OLP)。GR8830內(nèi)部電路檢測COMP接腳準(zhǔn)位，當(dāng)準(zhǔn)位大于限制點(diǎn)3.6V且持續(xù)60ms以上時(shí)，閘極電壓將保持在低準(zhǔn)位關(guān)閉系統(tǒng)。如此輸出電壓及VCC電壓將因無能量補(bǔ)充而低于欠電壓停止工作點(diǎn)，這時(shí)會(huì)重置控制器。當(dāng)控制器重置時(shí),VCCpin電壓會(huì)被再次充電如圖8所示,此過程將持續(xù)重復(fù)直到過載狀況解除,此種模式稱為打嗝模式或自動(dòng)回復(fù)模式。[圖片]

過電壓保護(hù)于VCC接腳

GR8830在VCC接腳有過電壓偵測保護(hù)功能，可防止系統(tǒng)損壞。當(dāng)VCC電壓高于過電壓保護(hù)(OVP)電壓準(zhǔn)位27V，閘極輸出驅(qū)動(dòng)電路將立刻關(guān)閉以停止系統(tǒng)動(dòng)作。 VCC過電壓保護(hù)動(dòng)作是自動(dòng)恢復(fù)型如圖9所示。如果過電壓狀況解除，系統(tǒng)將恢復(fù)正常運(yùn)作。

VCC控制模式可避免當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)控制器重新起動(dòng)

當(dāng)負(fù)載從重載變空載，輸出電壓會(huì)產(chǎn)生過沖現(xiàn)像再恢復(fù)到正常輸出電壓.因此自然行為會(huì)導(dǎo)致回授系統(tǒng)飽合而短暫關(guān)閉 IC輸出,若系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不佳,會(huì)造成輸出電壓大幅掉落再重新起動(dòng)拉起。GR8830加入VCC控制模式,當(dāng)負(fù)載從重載變空載，輸出電壓變高，經(jīng)由回授電路使COMP接腳準(zhǔn)位降低、工作周期消失而無能量傳送到次級側(cè)。如果有沒有防止這個(gè)情況的任何機(jī)制，VCC接腳電壓將下降低到UVLO off使系統(tǒng)重新啟動(dòng)。GR8874在VCC下降到UVLO off之前，它會(huì)強(qiáng)迫輸出打一最小的周期補(bǔ)充能量,使VCC電壓高于UVLO off, 圖10顯示此操作情形。此模式是用來避免重新起動(dòng)現(xiàn)像而非常態(tài)模式下使用,故設(shè)計(jì)者于設(shè)計(jì)輔助電力時(shí)需使空載條件下電壓高于 11V。不然將會(huì)使得空載輸入功率較操作在Burst模式下為高。

設(shè)定切換頻率

為避免變壓器飽和，內(nèi)部振蕩器的最大工作周期大約是75%，振蕩器的頻率是由RT接腳連接到地的一個(gè)外部電阻決定。公式如下: fosc = 6500(KHz)/R(Kohm).

這個(gè)R是連接在RT接腳的電阻，連接100Kohm電阻，工作頻率為65KHz。建議使用的頻率范圍從50 KHz到130 KHz，如圖11所示。

高低壓過電流保護(hù)補(bǔ)償

典型的峰值電流模式PWM控制器反饋電流信號和電壓信號加以控制完成輸出電壓調(diào)節(jié)。如圖11所顯示， GR8830由CS接腳偵測一次側(cè)MOSFET的電流，此CS pin不僅是峰值電流方式控制輸入，而且也是脈沖對脈沖電流保護(hù)方式控制。電流檢測的最大門坎電壓設(shè)在0.85V。流經(jīng)MOSFET的峰值電流可以從下式獲得。

假設(shè)在低輸入電壓范圍,系統(tǒng)操作在連續(xù)導(dǎo)通模式,輸出功率是 1/2*Lp*(Ipeak²-Ivalley²)*f.

假設(shè)在高輸入電壓范圍,系統(tǒng)操作在不連續(xù)導(dǎo)通模式,輸出功率是1/2*Lp*(Ipeak²).

若IC無任何補(bǔ)償,那高輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)將遠(yuǎn)大于低輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)。在GR8830內(nèi)部建置了高低壓過電流補(bǔ)償電路,使得高輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)和低輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)接近。其補(bǔ)償值如圖12所示。

回復(fù)

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:19

@frank_zeng

過電壓保護(hù)于VCC接腳GR8830在VCC接腳有過電壓偵測保護(hù)功能，可防止系統(tǒng)損壞。當(dāng)VCC電壓高于過電壓保護(hù)(OVP)電壓準(zhǔn)位27V，閘極輸出驅(qū)動(dòng)電路將立刻關(guān)閉以停止系統(tǒng)動(dòng)作。VCC過電壓保護(hù)動(dòng)作是自動(dòng)恢復(fù)型如圖9所示。如果過電壓狀況解除，系統(tǒng)將恢復(fù)正常運(yùn)作。[圖片] VCC控制模式可避免當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)控制器重新起動(dòng)當(dāng)負(fù)載從重載變空載，輸出電壓會(huì)產(chǎn)生過沖現(xiàn)像再恢復(fù)到正常輸出電壓.因此自然行為會(huì)導(dǎo)致回授系統(tǒng)飽合而短暫關(guān)閉IC輸出,若系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不佳,會(huì)造成輸出電壓大幅掉落再重新起動(dòng)拉起。GR8830加入VCC控制模式,當(dāng)負(fù)載從重載變空載，輸出電壓變高，經(jīng)由回授電路使COMP接腳準(zhǔn)位降低、工作周期消失而無能量傳送到次級側(cè)。如果有沒有防止這個(gè)情況的任何機(jī)制，VCC接腳電壓將下降低到UVLOoff使系統(tǒng)重新啟動(dòng)。GR8874在VCC下降到UVLOoff之前，它會(huì)強(qiáng)迫輸出打一最小的周期補(bǔ)充能量,使VCC電壓高于UVLOoff,圖10顯示此操作情形。此模式是用來避免重新起動(dòng)現(xiàn)像而非常態(tài)模式下使用,故設(shè)計(jì)者于設(shè)計(jì)輔助電力時(shí)需使空載條件下電壓高于11V。不然將會(huì)使得空載輸入功率較操作在Burst模式下為高。[圖片] 設(shè)定切換頻率為避免變壓器飽和，內(nèi)部振蕩器的最大工作周期大約是75%，振蕩器的頻率是由RT接腳連接到地的一個(gè)外部電阻決定。公式如下:fosc=6500(KHz)/R(Kohm).這個(gè)R是連接在RT接腳的電阻，連接100Kohm電阻，工作頻率為65KHz。建議使用的頻率范圍從50KHz到130KHz，如圖11所示。[圖片] 高低壓過電流保護(hù)補(bǔ)償?shù)湫偷姆逯惦娏髂Ｊ絇WM控制器反饋電流信號和電壓信號加以控制完成輸出電壓調(diào)節(jié)。如圖11所顯示，GR8830由CS接腳偵測一次側(cè)MOSFET的電流，此CSpin不僅是峰值電流方式控制輸入，而且也是脈沖對脈沖電流保護(hù)方式控制。電流檢測的最大門坎電壓設(shè)在0.85V。流經(jīng)MOSFET的峰值電流可以從下式獲得。假設(shè)在低輸入電壓范圍,系統(tǒng)操作在連續(xù)導(dǎo)通模式,輸出功率是1/2*Lp*(Ipeak2-Ivalley2)*f.假設(shè)在高輸入電壓范圍,系統(tǒng)操作在不連續(xù)導(dǎo)通模式,輸出功率是1/2*Lp*(Ipeak2).若IC無任何補(bǔ)償,那高輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)將遠(yuǎn)大于低輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)。在GR8830內(nèi)部建置了高低壓過電流補(bǔ)償電路,使得高輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)和低輸入電壓范圍的過載保護(hù)點(diǎn)接近。其補(bǔ)償值如圖12所示。

空載待機(jī)功耗低于100mW的設(shè)計(jì)考慮

1. 選用恰當(dāng)?shù)目烧{(diào)整分流管理器(431)，請選擇最小工作電流(I_MIN)小于0.4mA的器件，同時(shí)為了降低二次側(cè)功耗, 建議使用Rr大于等于25KΩ,請參見圖13。

2. 光藕合器的選用，請使用CTR介于100%到200%的器件，Rp電阻無需安裝,除非選用的可調(diào)整分流管理器(431)最小工作電流(I_MIN)過高, 使得電壓調(diào)節(jié)率變差。

3. 確認(rèn)輸出空載時(shí)的VCC電壓要大于VCC模式的電壓( 11.3V ),使系統(tǒng)運(yùn)作在Burst 模式。

4. 在COMP接腳，請加上1nF到10nF的電容,將高頻切換噪音濾除。

5. 安規(guī)的考慮，泄放電阻選用符合安規(guī)要求但亦無需過度設(shè)計(jì)，選用電阻R2和R3使時(shí)間常數(shù)CX1*(R2+R3)小于1秒

建議使用當(dāng)CX1=0.33uF時(shí),R2+R3要小于3MΩ

當(dāng)CX1=0.47uF時(shí),R2+R3要小于2MΩ

回復(fù)

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:20

@frank_zeng

[圖片] 空載待機(jī)功耗低于100mW的設(shè)計(jì)考慮1. 選用恰當(dāng)?shù)目烧{(diào)整分流管理器(431)，請選擇最小工作電流(IMIN)小于0.4mA的器件，同時(shí)為了降低二次側(cè)功耗,建議使用Rr大于等于25KΩ,請參見圖13。 [圖片] 2. 光藕合器的選用，請使用CTR介于100%到200%的器件，Rp電阻無需安裝,除非選用的可調(diào)整分流管理器(431)最小工作電流(IMIN)過高,使得電壓調(diào)節(jié)率變差。 3. 確認(rèn)輸出空載時(shí)的VCC電壓要大于VCC模式的電壓(11.3V),使系統(tǒng)運(yùn)作在Burst模式。 4. 在COMP接腳，請加上1nF到10nF的電容,將高頻切換噪音濾除。 5. 安規(guī)的考慮，泄放電阻選用符合安規(guī)要求但亦無需過度設(shè)計(jì)，選用電阻R2和R3使時(shí)間常數(shù)CX1*(R2+R3)小于1秒建議使用當(dāng)CX1=0.33uF時(shí),R2+R3要小于3MΩ當(dāng)CX1=0.47uF時(shí),R2+R3要小于2MΩ [圖片] [圖片]