摘要：系列是PFC/DC/DC两变换器电源系统混合IC，启动电路和控制电路内置于一个芯片上，该芯片又与DC/DC 部分的功率MOSFET结合进SIP封装中。介绍了STR-E1500系列的结构与特点，给出了其应用电路及设计。
关键词：PFC/DC/DC变换器；混合IC；多模式控制；电路；设计
Abstract:STR-E1500 family is a hybrid IC for a PFC/DC/DC 2-converter power supply system. Start-up circuit and controller are in one chip. This chip and power MOSFET for DC/DC part are incorporated into a SIP package. The architecture and feature of the STR-E1500 family are introduced, and application circuit and design are given
引言 STR-E1500 系列混合IC 是Sanken 电子公司生产的用于两变换器电源系统的专用器件。STRE1500系列含有STR-E1555 和STR-E1565 两个型号，它们在21引脚SLA 封装中内置了单片IC和一个功率MOSFET。其中，单片IC 集成了功率因数校正（PFC）预变换器和后置DC/DC 变换器启动电路和控制器，功率MOSFET 用作DC/DC 变换器的开关。STR-E1555/STR-E1565 适用于LCDTV、LCD 监视器、投影—TV 和AC 适配器等的开关电源系统，可实现高功率因数和低输入电流谐波失真，提供高效率和低EMI，并仅需用很少量的外围元件，使设计简化。
1 STR-E1555/STR-E1565 的基本结构和引脚功能
STR-E1555 与STR-E1565 采用21 引脚单列直插式封装，壳体尺寸为31mm伊16mm伊4.8 mm，引脚长度9.5mm，重5.6g。
STR-E1555/STR-E1565 在同一封装内集成了PFC控制器、PWM 控制器、启动电路、保护电路及一个PWM 级功率MOSFET，其内部结构框图如图1 所示。
图1 STR-EI555/STR-E1565的内部结构框图
STR-E1555/STR-E1565 的各个引脚功能如下所列。
脚1（Startup） DC/DC（DD）和PFC 部分的启动电流输入端，该引脚直接连接DC 总线；
脚2（NC） 不连接（无引线）；
脚3（PFCout） PFC 部分MOSFET栅极驱动信号输出端，输出源电流为300 mA，灌入电流为500 mA；
脚4（ZCS） PFC 零电流检测信号输入端，该端连接升压电感器的辅助绕组；
脚5（CS） PFC 预变换器MOSFET漏极电流感测输入端；
脚6（PFB/OVP） PFC 预变换器输出DC 电压控制信号输入、PFC 级过电压保护（OVP）输入及DD部分的输入补偿端；
脚7（COMP） PFC 部分误差放大器相位补偿输出端；
脚8-9（GND） DD与PFC 控制电路地；
脚10（MultFP） PFC 乘法器输入，DD 部分频率变换输入，DD 部分输出电压变换信号输入，PFC 部分AC 输入补偿，DD 与PFC 部分锁存信号输入；
脚11（DLP） PFC 关断延时调节端；
脚12（BD） DD 部分准谐振（QR）检测信号输入端；
脚13（OCP） DD 部分过电流检测信号输入端；
脚14（DFB） DD 部分恒压控制信号输入端；
脚15（Vcc） DD 与PFC 控制电路正电源电压输入端（典型值为20 V）；
脚16（DDout） DD 部分MOSFET 栅极驱动信号输出；
脚17（Souree） DD部分MOSFET源极端；
脚18-19（NC） 不连接；
脚20-21（Drain） DD部分MOSFET漏极。
2 STR-E1555/STR-E1565 的主要特点
STR-E1555 和STR-E1565 中的单芯片是一种含有启动和保护电路的PFC/PWM组合控制器，采用600V高压BCD工艺制作。该系列混合IC 是世界首款集PFC/PWM 控制器和PWM 级功率MOSFET 于一体的开关电源专用器件。STRE1555和STR-E1565的主要功能与特点如下。
（1）集成了临界导电模式（CRM）PFC 控制器 CRM 界于连续导电模式（CCM）与不连续导电模式（DCM）之间，也称为边界模式（BM）或过渡模式（TM）。CRM-PFC 控制器可使PFC 预变换器平均输入电流仅为峰值电感电流的1/2，从而减小了在功率MOSFET 等功率器件上的电流应力。与CCM-PFC 控制器相比，仅需用很少量的外部元件。STR-E1555与STR-E1565中的CRM-PFC控制器，其乘法器带AC输入电压补偿，内置高速过电压保护电路（非锁存模式）和逐周过电流保护电路。工作在CRM的PFC预变换器，有较高的效率和低EMI。
（2）内置高效率和低EMI DC/DC控制电路 STR-E1555 与STR-E1565 的PWM控制器控制后置DC/DC变换器，可提供多模式控制功能。在中等到重负载下，DC/DC 控制器工作在准谐振模式；在轻载到中等负载下，则在带频率颤抖的PWM（y_檁?y_100 kHz）模式工作；在无载和非常轻的负载下，则在低频模式工作，具有非常低的待机功耗。
（3）提供PFC 与DC/DC级之间的协调操作 STR-E1555 和STR-E1565 借助于内部启动电路实现最佳化的启动顺序。芯片上的延迟定时器通过外部电容可以调节。在待机状态，自动待机功率将停止PFC 操作，并且自动待机带输入电压补偿。在低频操作模式，自动偏置电路能防止Vcc电压降低。
（4）提供全方位的保护功能 STR-E1500 系列混合IC 的PFC 级提供过电流保护（OCP）和过电压保护（OVP），DC/DC 级提供OCP 和过载保护（OLP）；在间歇操作中，提供输入功率限制；利用在引脚MultFP 上的外部信号提供外部锁定保护（ELP）。此外，还提供门槛温度为150益的热关闭保护。
（5）为DC/DC 变换器内置功率MOSFET STR-E1555 和STR-E1565 中MOSFET 参数和输出功率如表1所示。
3 应用电路与设计
3.1 应用电路实例及其工作原理
基于STR-E1555组合IC 的PFC/DC/DC 两变换器电源电路拓扑如图2 所示。图2 中，STRE1555中的PFC 控制器及引脚5~引脚11 外部元件组成CRM-PFC升压预变换器。S1为PFC开关，L1为升压电感器，D2 为升压二极管，C2 为PFC 级输出储能电容器，R6 与R7 为PFC 级电流传感电阻，R11与C12组成低通滤波器，L1 的辅助绕组作为零电流检测传感器使用，C8 为误差放大器输出补偿电容，C10用作PFC 开关关断时间延迟调节，R1、R2 和R10 组成的电阻分压器用作整流电压采样。在系统启动期间，二极管D1 为对输出电容C2 充电提供通路，以在PFC 开关S1 首次导通时，在电感器L1中没有能量存储。
图2 基于STR-EFC/DC/DC 变换器电路拓扑
在接通AC 供电线路后，STR-E1555 引脚1内部启动电路为Vcc 端上的电容C15提供5.6 mA的恒流对C15充电。当Vcc脚上的电压高于16.2 V时，IC1开始运行。当IC1引脚6上的电压达到3.2 V时，DC/DC 变换器启动，变压器偏置绕组（N4）为IC1的Vcc端供电。
系统前端PFC 电路的电感器L1 中的电流工作在临界传导模式（CRM）。当PFC 开关S1导通时，二极管D2 截止，通过L1 的电流从零开始线性增加，并且全部通过S1返回。当IC1驱动S1 关断时，L1 中的储能使D2导通，流过L1 的电流从峰值开始减小。一旦电流降为零，S1再次导通，新的开关周期开始。在每个开关周期内的峰值电感电流时刻追踪AC 线路电压的变化轨迹，高频三角波电感电流经输入电容C1和EMI 滤波器滤除高频成份，得到低频正弦波平均电流，且与AC 电压趋于同相位，使系统呈电阻性，故输入功率因数几乎等于1，从而实现功率因数校正。图3 所示为PFC预变换级相关电压和电流波形。
图3 PFC 相关电压和电感电流波形
图2 所示的开关电源中的DC/DC 变换器为反激式类型。IC1 引脚21 与引脚17 之间内部的MOSFET，为DC/DC级的开关。R12为DC/DC 级开关的电流检测电阻。只要IC1 引脚13（OCP）上的电压超过0.6 V的门限，开关将停止，履行过电流保护。DC/DC 变换器次级输出到初级的反馈通过IC2和光耦合器PC1实现。IC1的引脚14（BD）用作准谐振检测，该引脚上的门限电压VBD (th)=0.76 V（典型值）。
3.2 PFC 电感器和DC/DC 级变压器设计
PFC预变换器中的升压电感器L1 和DC/DC变换器中的变压器T1是两个重要元件，其参数选择正确与否，关系到系统能否正常工作。
3.2.1 PFC电感器设计
基于STR-E1555 的PFC 预变换器在CRM 工作，L1的电感值LP由式（1）确定，即
式中：T为开关周期（s）；
Vo为PFC 预变换器DC输出电压（V）；
VAC(min)为最低AC线路电压（V）；
η为PFC级效率；
Po为PFC预变换器输出功率（W）。
通常T=15~20μs，对应此情况下，开关频率fs=70~50 kHz。设T=20 μs，VAC(min)=85V，Vo=400 V，Po=120W，η=0.9，将这些数据代入式（1）得：LP=379.04μH。
L1的主绕组匝数NP可根据式（2）计算，即
式中：AL 值是电感器的一个参数，单位为H/N2。
为避免磁饱和，AL 值的选择必须考虑NI(AT)值的限制。NI 值由式（3）确定，即
式中：ILP 为峰值电感电流，其值等于MOSFET 的漏极电流峰值。
ILP可根据式（4）计算，即
按式（4）计算的结果是：ILP=IDP=4.44A。
考虑到温度上升和其它容差，NI 值的容限相对于磁芯数据NI 限制线性曲线边际可围绕30%来选择。若选取AL值为200 nH/N2，根据式（2）得
L1 的辅助绕组用作零电流检测。L1 可选用EER型铁氧体磁芯。L1的辅助绕组上的电压幅度可选取30V，于是L1辅助绕组匝数NS为
NS =44匝×30V/400V=3.3匝
可选择NS=4 匝。考虑到趋肤效应，主绕组应选用胶合线，而副绕组（ZCS 绕组）可选用传统绝缘铜导线。
3.2.2 变压器主要参数的确定
变压器初级电感LP由式（5）确实，即
LP= 蓘VIN(min)D 蓡2
式中：VIN (min) 为DC/DC 变换器最低输入DC 电压（V）；
D为占空因数；
Po为输出功率（W）；
fs(min)为最低开关频率（Hz）；
Cr为电压谐振电容（F）；
η为DC/DC 变换器效率。
DC/DC 级的输入电压即PFC 级的输出DC电压，其值为400 V。假如输入DC 电压是经全波桥式整流和电容器平滑的电压，在85 V的最低AC 输入电压下，平滑电容器上的电压Vin(min)则为108.2V。设fs(min)=50kHz，D=0.57，Po=120W，Cr=470 pF，η=0.85，将这些数据代入式（5）得到：LP=238.3μH。
设AL 值为200 nH/N2，则变压器初级绕组匝数NP可根据式（2）计算，即
变压器次级绕组匝数NS由式（6）确定，即
式中：VO为输出电压；
VF 为变压器次级绕组上的整流二极管正向电压降；
VD是在能率（duty）为50%（注：at duty 50%）时的输入DC电压。
VD值可按式（7）计算为
设Vo=12 V，VF=0.7 V，又VD=143.4 V，则根据式（6）计算所得结果为NS抑3匝。
初级开关峰值电流IDP的计算如式（8）所列。
式中：IIN为平均输入电流；
T为延迟时间。
根据式（9）和式（10）计算可得：IIN=1.30 A，T=1.05μs；由式（8）可得IDP=4.83A。
4 结语
STR-E1555 和STR-E1565 是世界首款集PFC/PWM 控制芯片和PWM （DC/DC） 级开关MOSFET于一体的组合型IC。基于STR-E1555或STR-E1565 工作在CRM-PFC 预变换器与DC/DC后置变换器两变换器开关电源，提供0.98 以上的输入功率因数，AC 输入电流谐波含量满足EN61000-3-2 等规范要求限值；DC/DC 变换器在不同负载下可提供多模式控制，有非常低的待机功耗。整个电源系统提供全方位保护，元件数量少，结构紧凑，成本低，可靠性高。STR-E1555 与STR-E1565为设计高功率因数、高效率、高可靠和低成本电源，提供了一种较理想的解决方案。
参考文献
[1] Sanken Electric. STR-E1555 PFC/DC/DC Systematic Combo Power IC[Z]. 2005.
[2] Sanken Electric. STR-E1565 PFC/DC/DC Systematic Combo Power[Z]. 2005.
[3] Sanken Electric. STR-E1500 Family Application Note [Z]. 2006.
作者简介
毛兴武（1948-），男，（工程技术应用）研究员，研究方向为功率因数校正、电子镇流器和开关电源，发表论文和电子技术文章1600 余篇，出版专著两部。
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