UR4205C 系统应用指南 www.bpsemi.com 1
目录 芯片介绍 典型应用 基本算法 - 更新 VDD 工作原理及容值推荐,boost 谷底检测原理 - 增加 boost 开关管过流保护原理,FB 脚电压选择建议, 短路保护原理 应用注意事项 - 更新 PCB 及 EMI 布线要求,boost 电解电容选取 - 增加大电流扩展的应用 www.bpsemi.com 2
芯片介绍 高功率因数 无频闪 高光效要求的灯具, 如球泡灯, 玉米灯,T 管和平板灯等 Part # 应用拓扑最大输出功率功率开关功率因素封装 UR4205C BOOST 架构 100W 外置 >0.95 ESOP16 主要特性 典型应用图 : 全电压范围 PF>0.95, THD<10%; 高达 94% 的驱动效率 ; 容易实现 110lm/W 以上的整灯光效 输出电流无纹波 ; <500ms 的快速启动 ; 外围元件少, 体积紧凑 ; Boost 引脚说明 www.bpsemi.com 3
典型应用 UR4205C 单级 boost 高 PF 无频闪方案 尺寸 :( 长 * 宽 * 高 ) 40mm*22mm*16mm 输入 : 90-265V 输出 : 40mA/400V 启动时间 : <500mS EN55015: 效率 : 线电压调整率 : PF THD Pass Typical 93%(220V input, 400V output) <±0% @90Vac~265Vax >0.9 @90Vac~265Vac <10% @ 90Vac~265Vac T1 D1 V+ BD1 MB6S 3 1 2 C6 22nF/500V 3.6mH ES1J CE1 10uF/450V C3 22nF/500V R1 1M 4 CX2 150nF/400V R5 5.1K CX1 R2 3K L1 2mH D2 1N4148 Q1 4N60 D3 R4 470R 1N4148 R7 51R 1 2 3 4 5 U1 VIN VDD GATE1 PGND1 CS1 DRAIN 16 15 14 13 12 R3 1M R6 910K V- 150nF/400V 6 COMP 11 N L F1 1R CE2 10uF/25V R8 5.1R R9 5.1R R10 10K C1 470nF C5 1uF 7 8 FB OVP CS2 10 AGND 9 C4 R14 R11 R12 C2 R13 1uF 7.5R 8.2K 22nF 100K www.bpsemi.com 4
基本算法 芯片内部框图 www.bpsemi.com 5
基本算法 VDD 工作原理 HV smart power: VIN 检测到输入电压后, 通过 Vin pin 给 VDD 电容 Cvdd 充电, 启动时, 充电电流 Ist 为恒流 3mA VDD 电压上升到 Vst=13.2V 时, 输出驱动信号 VIN 充电 输入电流 VDD 电压 VIN 只在 VIN 大于 VDD 电压一点时才给 VDD 电容充电 剩下的整个工频周期中几乎都是靠 CVdd 维持芯片工作, 因此 VDD 电解选择时需要保证 VDD 不能掉的过低 VDD 电解放电 www.bpsemi.com 6
基本算法 VDD 电容计算 T ST V ST C I ST VDD C VDD I T TOT AC VDD 其中 : ITOT: 为芯片消耗的所有电流, 包括芯片本身的损耗和开关管的驱动能量 TAC: 为电解放电时间, 可取近似值 20ms ΔVDD: 为保证 VDD 稳定, 一般 ΔVDD=3V www.bpsemi.com 7
基本算法 VDD 电容推荐 对于采用 4N60 及以下开关管时,VDD 电容选择 10uF/25V, 供电采用单路供电 供电回路电阻建议选取 5K 以下, 建议采用 1 个 1206 电阻, 电阻温升最好控制在 40 对于采用 4N60 以上开关管时,VDD 电容选择 10uF/25V, 供电采用双路供电 供电回路电阻建议选取 5K 以下, 建议 2 个 1206 电阻串联, 电阻温升最好控制在 40 Vin 为高压 PIN, 耐压 650V www.bpsemi.com 8
基本算法 谷底检测原理 UR4205C boost 部分过零检测通过检测芯片 gate1 脚电压来实现, 当开关管关断之后, 由于 boost 电感和开关管的 DS 电容之间存在谐振, 该谐振通过 Cdg 产生一个滞后的电流,gate1 内部此时会接入一个阻抗采集这个电流, 该信号会触发内部的比较器, 从而发出开关管导通信号 Boost 开关管 Drain Drain Cdg Gate1 CS1 Gate1 谷底检测电压 C*(dv/dt)*Rsense www.bpsemi.com 9
基本算法 输出电流计算 I O V R CS 2 CS 2 其中 :Vcs2=304mV 备注 :UR4205C 通过连接在 CS2 脚到地的电阻 RCS2 来设定输出电流 www.bpsemi.com 10
基本算法 Boost 开关管过流保护 为了保护开关管在非正常状态时, 如 boost 电感饱和, 不至于出现过大的电流应力, UR4205C 内部会逐周期的检测 CS1 上的电压, 一旦电压超过 1.52V, 便会将电压钳位住, 出现电流被削顶的情况, 如右图所示, 此时输出电流会偏低, PF 和 THD 会变差 因此, 在设计时, 需要保证在最低输入电压下 CS1 电阻上的电压要 <1.52V 输入电流 CS1 电压 触发 CS2 限流保护 www.bpsemi.com 11
基本算法 输出电解电容计算 C O 2 I F O LINE V PP 备注 : ΔVpp 指电容上的纹波, 计算如下 : UR4205C 通过内部集成 LDO 去纹波, 所以纹波越大,LDO 上的损耗越大, 一般考虑芯片损耗 Pldo 不超过 0.5w V PP 2 2 (0.5 Io O * R DSon ) I 注意 :boost 电解电容选择时, 需要注意其耐压, 保证 OVP 时电容耐压也要满足要求 - 输出电压 400V 左右时, 建议 OVP 电压设置 450V, 可选用 450V 耐压电解 - 输出电压 450V 左右时, 建议 OVP 电压设置 500V, 可选用 500V 耐压电解 www.bpsemi.com 12
应用注意事项 输出电容的选取 输出电解上的电压纹波, 会通过 UR4205C 内部集成的 LDO 消耗掉, 使输出实现无频闪 ; 加大输出电解电容的容值有助于提升效率和降低 IC 发热, 另外, 若使用过小的电解电容, 则输出电解电容上的纹波电压增加, 此纹波通过 UR4205C 内部 LDO 时有可能触发 LDO 的过功率保护 基于 400V/40mA demo 板测试结果如下 : Vin(V) Pin(W) Vout(V) Iout(mA) Pout(W) Effi(%) Vdrain_p ΔVpp E cap 220 16.84 389 40.21 15.64 92.88 18 16.4 10uF 220 16.65 388 40.21 15.60 93.70 10.6 8.6 20uF 220 16.58 388 40.16 15.58 93.98 8.16 6.1 30uF 电解电容大小对效率的影响主要是对 boost 电压纹波的影响, 直接反应就是 LDO 上损耗的大小, 从而直接影响驱动的效率 www.bpsemi.com 13
基本算法 FB 外接电阻计算 UR4205C 通过 FB 设置输出电压纹波的平均值,FB 脚电压的大小决定了去纹波的效果及 IC 上的损耗大小 V 2 PP R fb 2 R fb 2 R fb1 V 其中 :VFB 为内部参考为 0.92V ΔVpp 为输出电压纹波, 有下式可得 2 2 (0.5 Io O FB VPP * R DSon ) I UR4205C 去纹波的效果取决于 FB 设置的 drain 的电压平均值, 当 : FB 设置的 Drain 上电压 频闪 UR4205C 损耗 >1/2 的 drain 上电压纹波 无 大 =1/2 的 drain 上电压纹波 无 适中 <1/2 的 drain 上电压纹波 有 小 www.bpsemi.com 14
基本算法 OVP 外接电阻计算 系统的最大输出电压通过 OVP 脚位设定 V R R R R 1 6 11 V OVP OVP _ TH 11 其中 :Vovp_th=1.93V www.bpsemi.com 15
基本算法 短路保护及 LDO 过功率保护 LED 短路保护和 LDO 过功率保护都通过检测 FB 脚的电压来实现,LDO 过功率保护 (OPL) 公式为 : V drain _ OPL 20uA * Rfb1 1.93V * Rfb1 Rfb2 Rfb2 LED 短路保护 (LSP) V drain _ LSP 50uA * Rfb1 1.93V * Rfb1 Rfb2 Rfb2 注意 : 不建议 UR4205C 在应用时先开路, 后短路 会损伤 LDO 的内部 MOS, 导致芯片失效 www.bpsemi.com 16
应用注意事项 EMI 及 PCB 布线要求 Boost 部分高频的功率回路应尽可能走线采用短粗线, 回路面积尽可能小, 保证好的传导和辐射性能 30W 以下的前级滤波器可选用 π 型滤波 ( 驱动板比较长的建议增加共模电感 ),30W 以上建议增加共模电感 由于 UR4205C 在过温情况下会直接关断 IC, 因此尽量让 IC 远离发热源, 尽可能的通过铺铜来增加 IC 散热 由于 1 脚 VIN 在打浪涌时会存在有高压串入的可能, 为了防止将 2 脚击穿, 应 : - 尽量让 VIN 脚走线远离 VDD, 建议在 1 脚和 2 脚之间进行开槽处理 COMP 口电阻和电容应尽可能靠近 IC www.bpsemi.com 17
应用注意事项 高电压输入开机, 电流出现阶跃 UR4205C 在高电压输入时, 会存在开机电流有阶跃的现象, 此时灯的亮度会有一个小的跳变 原因为高电压输入时,boost 电解上已经存在的电压大于 LED 的导通电压 当 VDD 的电压达到了 13.2V, 后级的 LDO 开始工作, 此时会有很小的电流流过 LED, 导致 LED 微亮 随着 boost 的电解上的电压升高, 电流会慢慢建立起来 从而出现了亮度阶跃的情况 实际测试波形如下所示 : 由于 boost 电压的建立总是会有一个过程, 因此该现象比较难避免 因此全压输入时, 建议 LED 电压尽量选择高一点 输入电压 <LED 导通电压输入 :220Vac 输出 :430V Iout VE-cap VDD VLDO_drain 输入电压 >LED 导通电压 输入 :250Vac 输出 :430V www.bpsemi.com 18
应用扩展 - 电阻分流 大电流应用 ( 1 ) 电阻分流 由于 UR4205C 的 LDO 允许流过的最大电流为 100mA, 因此无法满足输出电流 >100mA 要求时, 这时可以考虑通过外加分流电阻的方式来对 LDO 进行散热处理, 分流电阻选择时需要满足以下条件 : V drain _ max R 散热 I o 其中 :Vdrain_max 为 LDO 的 Drain 上电压最大值 www.bpsemi.com 19
应用扩展 - 电阻分流 大电流应用 ( 1 ) 电阻分流 LDO 上并联电阻后, 对输出电流纹波会有一点影响, 从波形上可以看出, 电阻分流之后, 还是会有少量纹波引入, 实际频闪效果需要实测来确定 : 测试条件为 : - 输入 220Vac - 输出 400V/100mA, -LDO drain 上电压最大值 26.3V,UR4205C:40mA, 电阻 :280ohm (>26.3V/100mA=263ohm):60mA 左右 电阻分流前 电阻分流后 www.bpsemi.com 20
应用扩展 - 电阻分流 大电流应用 ( 1 ) 电阻分流 设计注意事项 : 由于设计时, 电阻选择是基于 LDO Drain 上电压的最大值, 而实际流过分流电阻电流为 Drain 上电压有效值除以电阻值, 因此还是会有一部分电流流过 UR4205C, 大小取决于电压纹波的大小 FB 上分压降低会抬高 Drain 上电压, 会带来 LDO 损耗变大的情况, 因此 UR4205C 的温度也会相应升高 采用电路并联分流还是会有少量电流纹波引入, 频闪效果需要实际进行确认 电阻分流消除频闪解决办法 : 采用 BP5131D 取代分流电阻! www.bpsemi.com 21
应用扩展 -BP5131X 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 基于后面给出的测试结果,UR4205C 可以搭配 BP5131D 来进行大电流的扩展, 但是应用中需要注意 : 流过 UR4205C 和 BP5131D 的电流大小可以根据实际的温度情况来确定 尽可能的利用 PCB 铺铜来增加两颗 IC 的散热, 在不影响性能的情况下, 越大越好 增加 BP5131D 后, 如果要实现无纹波, 需要调低 UR4205C 的 FB 上的分压来保证 BP5131D 正常工作 (4250C 的 drain 脚上电压纹波的最小值 >10V), 带来的坏处就是 UR4205C 的 LDO 上的电压会升高,LDO 的损耗会变大 扩展后短路保护需要注意 : - 负载短路后上电,OK - 负载上电后短路, 建议应该尽量避免 一旦发生短路,BP5131D 会损坏, 但是 UR4205C 能够正常工作 因此, 移除短路保护后流过 LED 的电流只剩下 UR4205C 的电流, 电流值会变小 对于输入电压较高时, 需要增加延时电路来解决启动出现阶跃的问题 www.bpsemi.com 22
应用扩展 -BP5131D 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 方案实现原理及问题 T1 D1 V+ BD1 MB6S 3 1 2 C6 22nF/500V 3.6mH ES1J CE1 10uF/450V C3 22nF/500V R1 1M 4 CX2 150nF/400V R5 5.1K CX1 R2 3K L1 2mH D2 1N4148 Q1 4N60 D3 R4 470R 1N4148 R7 51R 1 2 3 4 5 U1 VIN VDD GATE1 PGND1 CS1 DRAIN 16 15 14 13 12 R3 1M R6 910K V- 150nF/400V 6 COMP 11 N L F1 1R CE2 10uF/25V R8 5.1R R9 5.1R R10 10K C1 470nF C5 1uF 7 8 FB OVP CS2 10 AGND 9 C4 R14 R11 R12 C2 R13 1uF 7.5R 8.2K 22nF 100K 实现原理 : 将 BP5131D 采用并联的方式连接在 UR4205C 的 LDO 上, 通过调整两颗芯片的 Rcs 来实现不同的电流值, 为了匹配两颗 IC 的 LDO 工作所需电压, 可以适当减少 FB 脚上的分压电阻阻值, 降低 FB 上的分压, 保证 BP5131D 正常工作所需要的电压 www.bpsemi.com 23
应用扩展 -BP5131D 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 测试结果 方案 1: 输入 :120Vac 输出 :430V/100mA(UR4250C:60mA,BP5131D:40mA) 稳定 1 小时后 : 基于 UR4205C 和 BP5131D 在 PCB 板上有大面积铺铜的情况 Vin(V) Iin(A) Pin(W) PF THD(%) Vout(V) Iout(A) Pout(W) Effi(%) T_UR4205C(⁰ C) T_BP5131D(⁰ C) Ta(⁰C) 120 0.398 47.6 0.997 5.5 431.2 0.103 44.41 93.31 85.8 68.5 35 输入波形 : 蓝色 : 输入电压绿色 : 输入电流 输出波形 : 蓝色 : 输出电压绿色 : 输出电流 结论 :UR4205C 温升 50, BP5131D 温升 35 www.bpsemi.com 24
应用扩展 -BP5131D 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 测试结果 方案 1: 输入 :120Vac 输出 :430V/100mA(UR4250C:60mA,BP5131D:40mA) 输出开路 :OK, 电压 :512V 输出短路 : 负载短路后上电,OK 不建议负载上电后短路, 会损坏 BP5131D 内部 LDO 的 MOS 管 www.bpsemi.com 25
应用扩展 -BP5131D 分流 测试结果方案 2: 输入 :120Vac 输出 :300V/115mA(UR4250C:60mA,BP5131D:55mA) 稳定 1 小时后结果 :( 基于 UR4205C 和 BP5131D 在 PCB 板上有大面积铺铜的情况 ) Vin(V) Iin(A) Pin(W) PF THD(%) Vout(V) Iout(A) Pout(W) Effi(%) T_UR4205C(⁰ C) T_BP5131D(⁰ C) Ta(⁰C) 120 0.318 37.3 0.997 5 300.3 0.114 34.23 91.78 85.2 81.2 35.7 输入波形 : 蓝色 : 输入电压绿色 : 输入电流 输出波形 : 蓝色 : 输出电压绿色 : 输出电流 结论 :UR4205C 温升 50, BP5131D 温升 35 www.bpsemi.com 26
应用扩展 -BP5131D 分流 测试结果 方案 2: 输入 :120Vac 输出 :300V/115mA(UR4250C:60mA,BP5131D:55mA) 输出开路 :OK, 电压 356V 输出短路 : 负载短路后上电,OK 不建议负载上电后短路, 会损坏 BP5131D 内部 LDO 的 MOS 管 www.bpsemi.com 27
应用扩展 -BP5131D 分流 应用注意事项 ( 输入电压 > 负载导通电压 ) 现象描述 : 以上测试结果只是考虑了 120Vac 输入下的情况, 当输入电压增加时 (>LED 导通电压 ), 由于 UR4205C 和 BP5131D 启动逻辑的不同 (UR4205C 由 VDD 来控制,BP5131D 无 VDD, drain 上有电压就会导通 ), 会出现开机时电流有阶跃的情况 原因分析 : 出现阶跃的原因主要是 : 在 boost 工作之前, 此时 boost 输出电解电容上电压等于输入电压的峰值, 当这个电压 > 负载导通电压时, 两颗 IC 启动逻辑不同, 就会导致电流出现阶跃的问题 启动过程分为两个阶段 : 阶段 1: UR4205C:VDD 充电过程中, 由于 <13.2V, 因此不工作 BP5131D: 此时由于 LDO 的 drain 有电压 ( 电压很低 ), 会有很小的电流流过阶段 2: UR4205C: 的 VDD 达到 13.2V,UR4205C 开始工作, 此时 drain 上电压会被 UR4205C 拉低 BP5131D: 由于 drain 上电压被拉低, 此时 BP5131D 关断 Iout VDD Vcs_BP5131D Vcs_UR4205C 阶段 1 阶段 2 www.bpsemi.com 28
应用扩展 -BP5131D 分流 应用注意事项 ( 输入电压 > 负载导通电压 ) 解决办法 : 为了解决启动时序的问题, 需要在 BP5131D 的 GND 和 UR4205C 的 GND 之前增加一个延时控制开关, 控制开关电源可以共用 UR4205C 的 VDD T1 D1 V+ BD1 MB6S 3 1 2 C6 22nF/500V 3.6mH ES1J CE1 10uF/450V C3 22nF/500V R1 1M 4 CX2 150nF/400V R5 5.1K CX1 R2 3K L1 2mH D2 1N4148 Q1 4N60 D3 R4 470R VD D 1N4148 R7 51R 1 2 3 4 5 U1 VIN VDD GATE1 PGND1 CS1 DRAIN 16 15 14 13 12 R3 1M R6 910K V- N 150nF/400V L F1 1R CE2 10uF/25V R8 5.1R R9 5.1R R10 10K C1 470nF C5 1uF 6 7 8 COMP FB OVP 11 10 CS2 9 AGND C4 1uF R14 R11 7.5R R12 C2 8.2K 22nF R13 100K 器件选择 : Q2:BPM5001N/SOT23 R1&R2:100K/0805 C1:3.3uF/0805 VDD www.bpsemi.com 29
应用扩展 -BP5131D 分流 应用注意事项 ( 输入电压 > 负载导通电压 ) 测试结果增加延时电路后测试结果如右图, 可以看出 BP5131D 的 Vcs 电压, 即 MOS 的 DS 电压, 在 MOS 未导通之前, 没有电流流过 (drian 电压为高 ), 输出电流上也没有之前出现的平台电流 在 UR4205C 导通之后, 才有电流流过 BP5131D, 从而解决了阶跃的问题 Iout VDD Vcs_BP5131D Vcs_UR4205C www.bpsemi.com 30
www.bpsemi.com Thanks! 这就是创新! Application http://www.bpsemi.com/application.asp www.bpsemi.com 31