电荷泵电压转换的ICEIQS01在液晶电视电源中的应用

所谓电荷泵电压转换是利用电容的充电、放电的基本特性实现流动电荷转移，达到电能转换的目的，这种电压反转器电路称为电荷泵变换器（Change Pump Converter）。因为电荷泵电压变换的效率高、静态电流小、耗电低，所以在电子开关电路中广泛应用。

图5-6 APFC抗EMI TEA2261电视开关电源

1.ICEIQS01的电路特点

1）电路采用电荷泵电路实现功率因数校正，具有结构简单、转换效果良好，功率因数达98%以上，其成本比一般PFC电路少30%。

2）ICEIQS01选用电荷泵电压转换原理，转换器工作在准谐振方式，所以电路的启动快、开关损耗极低，随着频率降低，电路仍能保持准谐振方式，电源从满载到零载范围内能够平稳工作是因为ICEIQS01在接收数字电视信号时，有抗抖动电路，消除过零信号延时，能连续接收。

3）电路采用了新的调压方法，可在变压器的控制绕组与控制输入之间进行外部光耦合方式调整，电路也可用输出功率（电流或电压）采样比较方式调整输出供电状况。光耦合调压电路利用两套装置，分别对四路输出电压进行控制，这在一般开关电路很少用到，为的是保持四路输出平衡，尤其V_o4在输出136V的状态下不影响其余三路输出。

4）电荷泵电压转换器用ICEIQS01应用在数字液晶电视、DVD播放机、卫星接收机和笔记本电脑等电器产品上。在待机方式下，ICEIQS01自动进入突发方式，具有过电压保护、欠电压锁定、输入欠电压关断和过电流限制等功能，它的启动电流仅50μA，待机功耗低于1W。

2.ICEIQS01片内功能

ICEIQS01电路控制集成块主要由比较器、触发器、锁存器、数字处理模块、输出缓冲器等电路组成，图5-7a为内部结构框图。图上的折弯点校正，它的功能是开关功率管在导通期间，从IC的3脚流出的电流被CS4里的电流分流0.5mA后流到IC的2脚，从而增加C₉的充电电压的斜率，使开关管MOSFET的导通时间缩短，提高开关速度。供电电压的检测由反馈绕组、VD₃、VD₄、R₄提供。门限电平的5V和4.4V的比较器用于电路一次调整，门限电平的1V和50mV的比较器用于过零比较和抑制时间比较。加法计数器、比较器和两个时间定时器，组成数字处理模块。软启动触发器和通断开关器，是处理电路在待机和瞬态电压冲击时应急处理电路。片内V_CC的20V和9V比较器是对输入电压进行比较，然后执行过电压或欠电压锁定保护。脉冲锁定触发器的输出连接到开通时间触发器，它执行电路锁定后待机，等到下个触发脉冲启动IC，经过7脚Out内的输出缓冲器输出触发脉冲，电路开始工作。

R₁为片内上拉电阻，下部连接4脚，上部接入5V参考电压，开关由触发器的Q端输出控制，触发器的过零信号所产生抑制时间，再控制第二个触发器，当IC的4脚电平超过4.4V时，第一个触发器又接到另一个过零信号，循环不停。数字处理器的工作原理是由四位加减计数器、过零信号计数器、50μs和50ms定时器组成。如果过零信号与加减器的数据相等，比较器就发出一个信号至时间定时器，使MOSFET功率管导通一次，加减计数器也随之改变，这种变化决定锁存电压的低端V_RL和高端V_RH的变化，若V_RL、V_RH都处于高电平，加减计数器减1，当IC的4脚电平V_SRC＜3.5V时，V_RL锁定低电平，加减计数器加1，当V_SRC＜4.4V时，V_RH锁定低电平，加减计数器减1，计数器的加或减就是电路控制输出功率的调节过程。图5-7b是ICEIQS01引脚排列图。

3.ICEIQS01电路工作原理

图5-7 ICEIQS01内部结构及引脚排列图

图5-8 具有电荷电路ICEIQS01液晶电视电源

图5-8是电荷泵电压转换液晶电视电源原理图。共有6组输出，V_o1（6.5V，2.5A）是供给微处理器用电，V_o2（13.5V，4.5A）为音频功放电路供电，V_o3（27V，1.2A）为微处理机负载用电，V_o4（136V，0.9A）为功率输出和图像显示电路用电。本电路输入低通滤波整流与前面的电路相同，这里不再叙述。只说电荷泵电路，它是实现电压转换和功率因数校正的主要途径。交流电压经UR桥式整流、C₃滤波后，升压电感L₂和变压器一次绕组L_p组成“电荷泵”电压电路，二极管VD₂为防止滤波电容C₆的电压回到C_y3、引起转换电压不稳，VD₁消除负电压超过VD₂的电压，当开关SW₁拨到上端时，功率因数调整“充电泵”开始工作，SW₁拨到下端，电路不进行PFC的功能，L₂、L_p、VD₁、VD₂失去作用。电路将L_f、RP、C₇、VT₁、VD_P负担起变换电路电能转换功能，RP、C₇、VD_P是网络吸收电路。芯片内数字处理电路能在电路负载减小时，使开关管的工作频率降低，自动降低输出功率，不产生功率输出抖动。如果输入电压降低，IC₁的4脚电压降低，当V_SRC＜2V时，ICEIQS01的突发方式启动电路，片内缓冲器7脚切换到低电平，IC₁关闭门限，使输出电压下降。R₅、R₁₀是变压器L_k绕组输出电压的分压电阻，若3脚的脉冲电压为4V时，过零信号输入正常，否则进行过零调整。C₁₂防止变压器L_k绕组的瞬态冲击电压出现。IC₂、IC₃和IC₄、IC₅两套精密电压负反馈电路，分别对电路输出电压V_o1～V_o4进行控制。因为V_o4的输出电压太高，仅一套控制系统很难维持输出功率平衡。电阻R₁和电容C₈可以限制电路的输出功率，起着过电压保护的作用。二极管VD₆、VD₇防止四路输出控制紊乱，抑制PWM脉冲信号“倒灌”。

4.主要元器件的设计

1）限流电阻R₁的计算与电容C₈的计算

流入IC₁2脚的电流I_p2≥100μA，否则欠电压保护，设输入交流电压最低为160V，则

V_Pmin=160V×1.414=226.2V

设电源的工作频率为20kHz，D=0.5，

则，取330pF。

2）反馈电阻R₁₈+R₁₇、R₂₃、R₂₀、R₂₁的计算

IC₃的反馈电流

IC₃所控制的V_o4、V_o1两路输出电流为I_C3=2.5A+0.9A=3.4A，反馈系数K₁、K₄分别为

IC₅所控制的V_o2、V_o3两路输出电流为I_C5=4.5A+1.2A=5.7A，反馈系数K₂、K₃分别为

各组反馈电流分别为

I_F1=I_FK₁=250×0.735μA=183.75μA

I_F4=I_FK₄=250×0.265μA=66.25μA

I_F2=I_FK₂=250×0.79μA=197.5μA

I_F3=I_FK₃=250×0.21μA=52.5μA各反馈电阻R₁₈+R₁₇、R₂₃和R₂₀、R₂₁的计算，设R₁₇为200kΩ，R₁₈=1.8MΩ(www.xing528.com)

3）振荡变压器TR₁的设计

最大输入P_in功率，取电源效率η=0.85

最低输入直流电压，F_o为纹波系数，取0.9

最高输入直流电压

计算变压器一次最大平均电流Ipmax

计算变压器一次匝数NP

根据工作频率和输入功率，按图3-20，选用磁心EE55/55/25，按表3-2查A_e=420mm²。由图4-4可知磁心在20kHz时最佳单向磁摆幅值B_opt=140mT，总的磁感应强度增量ΔB=2×140mT=280mT。

计算二次绕组匝数L_s1、L_s2、L_s3、L_s4，输出电压V₁、V₂、V₃、V₄与变压器二次侧的关系是

根据此公式分别计算出：

V₁与V_o1，V₂与V_o2，V₃与V_o3，V₄与V_o4的关系是一次、二次匝数之比，它们的关系是

V₂与V_o2，V₃与V_o3，V₄与V_o4的关系式类似。

计算一次电感LP

一次平均电流

一次绕组最大电流

电流变化区间

I_P2=3I_P1=3×1.44A=4.32A

电流变化量 ΔI=I_P2-I_P1=4.32A-1.44A=2.88A

为了防止变压器磁心出现磁饱和，必须留有磁间隙。磁间隙计算公式如下：

计算系数μ_c=4π×10^-7H/m