利用绿达光电GR8830实现高效率,超低待机功耗小于100mW的绿色电源解决方案

具降频省电功能之电流模式脉宽调变控制器

前言

GR8830是绿达光电专门为100MW超低待机功耗电源解决方案，以下简单说明GR8830的工作原理及特色，高整合度的GR8830 脉宽调变控制器提供了超低起动电流、电流模式脉宽调变控制以及绿色操作模式 (Green-mode) 功能。为了降低轻载及无载功率损耗GR8830工作于间歇节能模式 (burst mode)，它包含一个启动开关，减少起动线路的能量损耗。内建的起动开关及间歇节能工作模式，在无载条件下，当高输入电压 (265V) 时，输入功率在0.1W以下。此外，GR8830亦具有数个系统保护功能，如输入电压补偿的逐周期电流限制（Cycle-by-Cycle current limiting）、过电压保护 (Over- voltage Protection)、过载保护 (Over-load Protection)、短路保护 (Short-circuit Protection) 及IC内部的过温度保护 (Over-temperature Protection) 功能。

产品特点：

l 可轻易实现空载待机功耗低于100mW

l 峰值电流模式控制 (Peak current mode control)

l 超低起动电流

l 欠电压闩锁 (UVLO)

l 没有音响噪声的绿色操作模式 (Green-mode)

l 外部可调节切换频率 (Switching frequency)

l 逐周期电流限制（Cycle-by-Cycle current limiting）

l 内建波前沿遮蔽 (Leading-edge blanking)功能，避免误触发

l 内建斜率补偿电路，防止次谐波振荡的干扰

l 软起动以减少对 MOSFET 和二极管的应力 (Stress)。

l 内建闸极输出电压限制及动作频率抖动 (jittering) 功能，减少 EMI 噪声

l 过电压保护于VCC接脚

l 过负载保护和短路保护

l 过电流保护

l 过温度保护

起动电路和欠电压停止工作

GR8830包含一超低的启动电流及低起动电压电路，相较于传统的外部启动电路，GR8830PWM控制器能明显的减低待机损耗。在电源起动时，总供电电压与起动电阻 (Vin_DC/R_start-up )提供起始电流使Vcc电容充电，当Vcc电压达到工作点( UVLO on)时，GR8830开始工作。当供电电压Vcc低于工作点( UVLO off)时，起动电路会再次对Vcc电容充电，如果VCC电压一直低于( UVLO off)时，欠电压模式将使电路停止工作，并关闭输出开关及其它相关电路，以减低芯片电流的损耗 (请参见图2)。

GR8830欠电压停止工作的开启和关闭电压迟滞点分别为15V和9V。欠电压停止工作点有迟滞作用，可使起动电容器有充分的能量供应给芯片 (参见图2)。建议起动电阻选用3Mohm到6Mohm，起动电容选用10uF到47uF之间的电容,以确保能顺利起动，同时使起动延迟小于3秒。

没有音响噪声的绿能操作模式 (Green-Mode)

当输出负载降低，控制器也将降低频率以减少系统电力的消秏。最小的操作频率是在人类可听到的音频率范围之外，大约是22 KHz。GR8830有二段节能模式,第一段称为Burst mode,当负载处于无载到轻载,COMP pin电压处于低准位,输出时有时无,当COMP pin电压低于0.8V,输出完全不打;当COMP pin电压高于1.0V,输出恢复工作.第二段称为线性降频模式,当负载处于轻载到中载,COMP pin电压处于中间准位1.3V到1.8V,输出频率随负载增加而增加.当COMP pin电压处于1.3V,输出22KHz频率;当COMP pin电压高于1.8V,输出65KHz频率.以这种绿能模式可提高无载到中载的效能来达到绿能法规的要求。

如需样品及资料，请联系: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) 避免误触发

每次功率型MOSFET导通瞬间，会有一个不可避免的导通尖波发生在感应电阻上。此导通尖波有可能导致MOSFET被关闭. 要避免此种误触发的情况发生，须于CS pin之前,插入一RC低通滤波. GR 8830内部建立了430ns的遮蔽时间。因此传统的RC滤波器可被省略。在遮蔽期间，过电流极限比较器是没有作用的，并且没办法关闭闸极. 因此可避免的导通尖波将MOSFET关闭。但若PCB layout路径过长使得CS pin电压尖波时间超过430ns或负向电压大于0.3V, 还是必需使用RC滤波器始系统运作正常，建议使用R=510Ω， C=220pF左右的数值。实际情形可随实测波型来选择恰当的零件数值。

内部斜率补偿防止次谐波行为

在飞驰转换器的应用上,若采取峰值电流控制模式,且变压器操作在连续导通模式,工作周期占空比大于0.5,会在输出看到大小波的次谐波现像.为了避免此现项发生,在GR8830内部提供斜率补偿电路来消除此现像。当开关导通时，CS接脚的感测电压于IC内部会加上上升率400mV/duty斜坡电压以帮助稳定系统和防止次谐波振荡产生。

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:14

@frank_zeng

波前沿遮蔽(Leading-EdgeBlanking)避免误触发每次功率型MOSFET导通瞬间，会有一个不可避免的导通尖波发生在感应电阻上。此导通尖波有可能导致MOSFET被关闭.要避免此种误触发的情况发生，须于CSpin之前,插入一RC低通滤波.GR8830内部建立了430ns的遮蔽时间。因此传统的RC滤波器可被省略。在遮蔽期间，过电流极限比较器是没有作用的，并且没办法关闭闸极.因此可避免的导通尖波将MOSFET关闭。但若PCBlayout路径过长使得CSpin电压尖波时间超过430ns或负向电压大于0.3V,还是必需使用RC滤波器始系统运作正常，建议使用R=510Ω，C=220pF左右的数值。实际情形可随实测波型来选择恰当的零件数值。[图片] 内部斜率补偿防止次谐波行为在飞驰转换器的应用上,若采取峰值电流控制模式,且变压器操作在连续导通模式,工作周期占空比大于0.5,会在输出看到大小波的次谐波现像.为了避免此现项发生,在GR8830内部提供斜率补偿电路来消除此现像。当开关导通时，CS接脚的感测电压于IC内部会加上上升率400mV/duty斜坡电压以帮助稳定系统和防止次谐波振荡产生。[图片]

闸极限制/动作频率抖动 (Jittering) 改善EMI噪声

GR8830驱动器被内部的13V齐纳二极管限制住。即使VCC超过20V,输出顶端会被箝位住而无法过高.因过高的闸极电压信号是不受欢迎的，常会造成MOSFET损坏。同时GR8830也有动作频率抖动(jittering)功能，使EMI噪声减到最小，此动作频率抖动范围为6%，公式如下: ((T2-T1)/Tavg.)*100%，此种作法能有效降低EMI噪音同时又不牺牲转换器的效能。

软起动以减少功率组件电压及电流应力

在最初的通电期间，GR8830提供4ms软起动功能。它能有效的压制起动峰值电流及峰值电压，特别是在高输入电压时以减少功率型MOSFET汲极电压,避免被击穿。刚起动时,输出工作周期占空比是由小到大逐渐开启,如图六所示,在软起动期间CS pin电压,采阶梯波方式逐渐上升,如此于开机传送能量时可将流经MOSFET,二次侧整流二极管的电流及电压逐渐上升到稳定值,而不会像传统无软起动功能的IC，于开机瞬间产生电压尖峰及电流尖峰。

过载保护和短路保护

在控制器内部提供过负载保护功能(OLP)。GR8830内部电路检测COMP接脚准位，当准位大于限制点3.6V且持续60ms以上时，闸极电压将保持在低准位关闭系统。如此输出电压及VCC电压将因无能量补充而低于欠电压停止工作点，这时会重置控制器。当控制器重置时,VCC pin电压会被再次充电如图8所示,此过程将持续重复直到过载状况解除,此种模式称为打嗝模式或自动回复模式。

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:17

@frank_zeng

闸极限制/动作频率抖动(Jittering)改善EMI噪声GR8830驱动器被内部的13V齐纳二极管限制住。即使VCC超过20V,输出顶端会被箝位住而无法过高.因过高的闸极电压信号是不受欢迎的，常会造成MOSFET损坏。同时GR8830也有动作频率抖动(jittering)功能，使EMI噪声减到最小，此动作频率抖动范围为6%，公式如下:((T2-T1)/Tavg.)*100%，此种作法能有效降低EMI噪音同时又不牺牲转换器的效能。[图片] 软起动以减少功率组件电压及电流应力在最初的通电期间，GR8830提供4ms软起动功能。它能有效的压制起动峰值电流及峰值电压，特别是在高输入电压时以减少功率型MOSFET汲极电压,避免被击穿。刚起动时,输出工作周期占空比是由小到大逐渐开启,如图六所示,在软起动期间CSpin电压,采阶梯波方式逐渐上升,如此于开机传送能量时可将流经MOSFET,二次侧整流二极管的电流及电压逐渐上升到稳定值,而不会像传统无软起动功能的IC，于开机瞬间产生电压尖峰及电流尖峰。[图片] 过载保护和短路保护在控制器内部提供过负载保护功能(OLP)。GR8830内部电路检测COMP接脚准位，当准位大于限制点3.6V且持续60ms以上时，闸极电压将保持在低准位关闭系统。如此输出电压及VCC电压将因无能量补充而低于欠电压停止工作点，这时会重置控制器。当控制器重置时,VCCpin电压会被再次充电如图8所示,此过程将持续重复直到过载状况解除,此种模式称为打嗝模式或自动回复模式。[图片]

过电压保护于VCC接脚

GR8830在VCC接脚有过电压侦测保护功能，可防止系统损坏。当VCC电压高于过电压保护(OVP)电压准位27V，闸极输出驱动电路将立刻关闭以停止系统动作。 VCC过电压保护动作是自动恢复型如图9所示。如果过电压状况解除，系统将恢复正常运作。

VCC控制模式可避免当负载变动时控制器重新起动

当负载从重载变空载，输出电压会产生过冲现像再恢复到正常输出电压.因此自然行为会导致回授系统饱合而短暂关闭 IC输出,若系统参数设定不佳,会造成输出电压大幅掉落再重新起动拉起。GR8830加入VCC控制模式,当负载从重载变空载，输出电压变高，经由回授电路使COMP接脚准位降低、工作周期消失而无能量传送到次级侧。如果有没有防止这个情况的任何机制，VCC接脚电压将下降低到UVLO off使系统重新启动。GR8874在VCC下降到UVLO off之前，它会强迫输出打一最小的周期补充能量,使VCC电压高于UVLO off, 图10显示此操作情形。此模式是用来避免重新起动现像而非常态模式下使用,故设计者于设计辅助电力时需使空载条件下电压高于 11V。不然将会使得空载输入功率较操作在Burst模式下为高。

设定切换频率

为避免变压器饱和，内部振荡器的最大工作周期大约是75%，振荡器的频率是由RT接脚连接到地的一个外部电阻决定。公式如下: fosc = 6500(KHz)/R(Kohm).

这个R是连接在RT接脚的电阻，连接100Kohm电阻，工作频率为65KHz。建议使用的频率范围从50 KHz到130 KHz，如图11所示。

高低压过电流保护补偿

典型的峰值电流模式PWM控制器反馈电流信号和电压信号加以控制完成输出电压调节。如图11所显示， GR8830由CS接脚侦测一次侧MOSFET的电流，此CS pin不仅是峰值电流方式控制输入，而且也是脉冲对脉冲电流保护方式控制。电流检测的最大门坎电压设在0.85V。流经MOSFET的峰值电流可以从下式获得。

假设在低输入电压范围,系统操作在连续导通模式,输出功率是 1/2*Lp*(Ipeak²-Ivalley²)*f.

假设在高输入电压范围,系统操作在不连续导通模式,输出功率是1/2*Lp*(Ipeak²).

若IC无任何补偿,那高输入电压范围的过载保护点将远大于低输入电压范围的过载保护点。在GR8830内部建置了高低压过电流补偿电路,使得高输入电压范围的过载保护点和低输入电压范围的过载保护点接近。其补偿值如图12所示。

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:19

@frank_zeng

过电压保护于VCC接脚GR8830在VCC接脚有过电压侦测保护功能，可防止系统损坏。当VCC电压高于过电压保护(OVP)电压准位27V，闸极输出驱动电路将立刻关闭以停止系统动作。VCC过电压保护动作是自动恢复型如图9所示。如果过电压状况解除，系统将恢复正常运作。[图片] VCC控制模式可避免当负载变动时控制器重新起动当负载从重载变空载，输出电压会产生过冲现像再恢复到正常输出电压.因此自然行为会导致回授系统饱合而短暂关闭IC输出,若系统参数设定不佳,会造成输出电压大幅掉落再重新起动拉起。GR8830加入VCC控制模式,当负载从重载变空载，输出电压变高，经由回授电路使COMP接脚准位降低、工作周期消失而无能量传送到次级侧。如果有没有防止这个情况的任何机制，VCC接脚电压将下降低到UVLOoff使系统重新启动。GR8874在VCC下降到UVLOoff之前，它会强迫输出打一最小的周期补充能量,使VCC电压高于UVLOoff,图10显示此操作情形。此模式是用来避免重新起动现像而非常态模式下使用,故设计者于设计辅助电力时需使空载条件下电压高于11V。不然将会使得空载输入功率较操作在Burst模式下为高。[图片] 设定切换频率为避免变压器饱和，内部振荡器的最大工作周期大约是75%，振荡器的频率是由RT接脚连接到地的一个外部电阻决定。公式如下:fosc=6500(KHz)/R(Kohm).这个R是连接在RT接脚的电阻，连接100Kohm电阻，工作频率为65KHz。建议使用的频率范围从50KHz到130KHz，如图11所示。[图片] 高低压过电流保护补偿典型的峰值电流模式PWM控制器反馈电流信号和电压信号加以控制完成输出电压调节。如图11所显示，GR8830由CS接脚侦测一次侧MOSFET的电流，此CSpin不仅是峰值电流方式控制输入，而且也是脉冲对脉冲电流保护方式控制。电流检测的最大门坎电压设在0.85V。流经MOSFET的峰值电流可以从下式获得。假设在低输入电压范围,系统操作在连续导通模式,输出功率是1/2*Lp*(Ipeak2-Ivalley2)*f.假设在高输入电压范围,系统操作在不连续导通模式,输出功率是1/2*Lp*(Ipeak2).若IC无任何补偿,那高输入电压范围的过载保护点将远大于低输入电压范围的过载保护点。在GR8830内部建置了高低压过电流补偿电路,使得高输入电压范围的过载保护点和低输入电压范围的过载保护点接近。其补偿值如图12所示。

空载待机功耗低于100mW的设计考虑

1. 选用恰当的可调整分流管理器(431)，请选择最小工作电流(I_MIN)小于0.4mA的器件，同时为了降低二次侧功耗, 建议使用Rr大于等于25KΩ,请参见图13。

2. 光藕合器的选用，请使用CTR介于100%到200%的器件，Rp电阻无需安装,除非选用的可调整分流管理器(431)最小工作电流(I_MIN)过高, 使得电压调节率变差。

3. 确认输出空载时的VCC电压要大于VCC模式的电压( 11.3V ),使系统运作在Burst 模式。

4. 在COMP接脚，请加上1nF到10nF的电容,将高频切换噪音滤除。

5. 安规的考虑，泄放电阻选用符合安规要求但亦无需过度设计，选用电阻R2和R3使时间常数CX1*(R2+R3)小于1秒

建议使用当CX1=0.33uF时,R2+R3要小于3MΩ

当CX1=0.47uF时,R2+R3要小于2MΩ

frank_zeng

LV.5

2010-04-29 14:20

@frank_zeng

[图片] 空载待机功耗低于100mW的设计考虑1. 选用恰当的可调整分流管理器(431)，请选择最小工作电流(IMIN)小于0.4mA的器件，同时为了降低二次侧功耗,建议使用Rr大于等于25KΩ,请参见图13。 [图片] 2. 光藕合器的选用，请使用CTR介于100%到200%的器件，Rp电阻无需安装,除非选用的可调整分流管理器(431)最小工作电流(IMIN)过高,使得电压调节率变差。 3. 确认输出空载时的VCC电压要大于VCC模式的电压(11.3V),使系统运作在Burst模式。 4. 在COMP接脚，请加上1nF到10nF的电容,将高频切换噪音滤除。 5. 安规的考虑，泄放电阻选用符合安规要求但亦无需过度设计，选用电阻R2和R3使时间常数CX1*(R2+R3)小于1秒建议使用当CX1=0.33uF时,R2+R3要小于3MΩ当CX1=0.47uF时,R2+R3要小于2MΩ [图片] [图片]