44 W, 12 V SMPS評估板：CoolSET? ICE5AR0680AG - 1及其變體應用解析

在電源設(shè)計領(lǐng)域，開發(fā)出高效、可靠且成本合理的開關(guān)電源（SMPS）是工程師們不斷追求的目標。今天，我們就來深入探討一款由英飛凌（Infineon）推出的44 W, 12 V SMPS評估板——EVAL_5AR0680AG - 1_44W1，它搭載了CoolSET? 5th Generation Fixed - Frequency Plus ICE5AR0680AG - 1開關(guān)控制器，還能對其他變體IC特性和功能進行評估。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_5AR0680AG-1_44W1 評估板.pdf

1. 評估板概述

這款評估板采用固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器拓撲，旨在為離線SMPS提供解決方案，適用于白色家電、PC、服務器、電視的輔助電源，以及游戲機的封閉式適配器等應用場景。其核心優(yōu)勢在于高效、低待機功耗、寬 $V_{CC}$ 工作范圍、強大的線路保護功能和多種保護模式，能為高可靠性系統(tǒng)提供有力支持。

2. 評估板規(guī)格亮點

• 輸入輸出參數(shù)：輸入電壓范圍為85VAC(60 Hz) ~ 300VAC(50 Hz)，輸出為12V x 3.66A = 44W，能夠適應不同的電源環(huán)境。
• 性能表現(xiàn)
  • 動態(tài)負載響應在負載從10% 到100%變化時，僅為標稱輸出電壓的 +3%，體現(xiàn)了良好的負載適應性。
  • 輸出紋波電壓在滿載情況下，85VAC ~ 300VAC 輸入時，12Vrpple p - p ≤ 100mV，輸出穩(wěn)定。
  • 有源模式四點平均效率（25%、50%、75%、100%負載）在115VAC和230VAC輸入時均 > 87%，高效節(jié)能。
  • 空載功耗在230VAC輸入時 < 100mW，符合低功耗要求。
• 電磁兼容性：傳導發(fā)射（EN55022 Class - B）在115V AC輸入時有8 dB余量，230VAC輸入時有6 dB余量；ESD抗擾度（EN61000 - 4 - 2）達到接觸放電4級，空氣放電3級（接觸和空氣放電均為±8 kV）；浪涌抗擾度（EN61000 - 4 - 5）達到安裝類別4（線間±2 kV，線對地±4 kV）。這些指標表明該評估板在復雜電磁環(huán)境下具有良好的抗干擾能力。

3. 電路詳細剖析

3.1 線路輸入部分

AC線路輸入側(cè)設(shè)有輸入保險絲（F1）作為過流保護，同時，電感（L11）、X電容（C11）和Y電容（C12）組成了EMI抑制電路，可有效減少電磁干擾?？蛇x的火花隙裝置SA1、SA2和壓敏電阻VAR能在雷擊浪涌測試中吸收高壓應力。經(jīng)過橋式整流器（BR1）和大容量電容（C13）后，可得到120 ~ 424 V DC的整流電壓。

3.2 啟動過程

為實現(xiàn)快速安全啟動，ICE5AR0680AG - 1開關(guān)控制器采用了啟動電阻和 $V{CC}$ 短路到地保護功能。當 $V{CC}$ 達到16 V的開啟電壓閾值時，IC開始軟啟動。軟啟動是基于數(shù)字時間的功能，預設(shè)軟啟動時間為12 ms，分四個步驟進行。若不受其他功能限制，CS引腳的峰值電壓將從0.3 V逐步增加到0.8 V。IC啟動后，$V{CC}$ 電壓由變壓器的輔助繞組提供。在啟動期間，還實現(xiàn)了 $V{CC}$ 短路到地保護。

3.3 集成CoolMOS?與頻率降低控制器

ICE5AR0680AG - 1集成了CoolMOS?超結(jié)MOSFET和頻率降低控制功能，能在輕載到50%負載條件下實現(xiàn)更高的效率。該評估板設(shè)計為在連續(xù)導通模式（CCM）下工作，以提高低線滿載條件下的效率。當系統(tǒng)以最大功率運行時，控制器以100 kHz的固定頻率切換。為了在輕載和中載之間實現(xiàn)更好的效率，采用了頻率降低技術(shù)，最大頻率降低后，最小開關(guān)頻率為43 kHz。

3.4 頻率抖動功能

ICE5AR0680AG - 1具備頻率抖動特性，內(nèi)部設(shè)置抖動頻率為100 kHz（±4 kHz），抖動周期為4 ms，可有效降低EMI噪聲。

3.5 RCD鉗位電路

由R11、R11A、C15和D11組成的鉗位網(wǎng)絡，可消耗漏感能量，抑制SMPS變壓器上的振鈴現(xiàn)象，保護電路穩(wěn)定運行。

3.6 輸出級設(shè)計

次級側(cè)有一個12 V的單輸出，功率通過肖特基二極管（D21）耦合輸出。電容（C22、C23和C23A）提供能量緩沖，隨后的L - C濾波器（L21 - C24）可降低輸出紋波，并有效防止SMPS開關(guān)頻率與線路頻率之間的干擾。儲能電容（C22、C23和C23A）設(shè)計為具有盡可能低的內(nèi)部電阻（ESR），以最小化三角電流引起的輸出電壓紋波。

3.7 反饋回路

輸出通過R26和R25組成的分壓器進行采樣，并與IC21（TL431）內(nèi)部參考電壓進行比較。電容和電阻（C25、C26和R24）構(gòu)成補償網(wǎng)絡，IC21（TL431）的輸出電壓通過光耦合器（IC12）和兩個電阻（R22和R23）轉(zhuǎn)換為電流信號，用于調(diào)節(jié)控制。

3.8 有源突發(fā)模式（ABM）

ABM的進入和退出功率有三種選擇，本評估板設(shè)置為選項3。在輕載條件下，SMPS進入ABM操作，此時控制器始終處于活動狀態(tài)，并保持 $V{ucc}$ 高于關(guān)斷閾值。進入ABM操作需滿足兩個條件：FB電壓必須低于 $V{FBEBXP}$ 閾值，并且需要一定的消隱時間（$t{FB _ BEB}=36 ~ms$）。在ABM期間，效率顯著提高，同時支持 $V_{out}$ 上的低紋波和負載突變時的快速響應。

4. 保護功能：保障系統(tǒng)安全

5. 變壓器與PCB設(shè)計

5.1 變壓器構(gòu)造

變壓器采用EE25/13/7(EF25)，TP4A (TDG) 磁芯和材料，070 - 5644（14引腳，THT，水平版本）骨架。初級電感 $Lp = 439 mu H$（±10%），在引腳1和引腳3之間測量。其繞組匝數(shù)、線徑和層間分布都經(jīng)過精心設(shè)計，以滿足電路性能要求。同時，還添加了水平和垂直外部屏蔽，并連接到引腳6，提高了電氣性能和抗干擾能力。

5.2 PCB布局

評估板的PCB布局分為頂層和底層，頂層展示了組件布局，底層則顯示了銅層和組件分布。合理的PCB布局對于減少電磁干擾、提高散熱性能和保證電路穩(wěn)定性至關(guān)重要。

6. 測試結(jié)果分析

6.1 效率、調(diào)節(jié)和輸出紋波

在不同輸入電壓和負載條件下，對評估板的效率、輸出電壓調(diào)節(jié)和輸出紋波進行了測試。測試結(jié)果表明，評估板在各種輸入電壓下都能保持較高的效率和穩(wěn)定的輸出電壓，輸出紋波也在合理范圍內(nèi)。

6.2 其他性能指標

• 待機功率在不同輸入電壓下均能保持較低水平，體現(xiàn)了良好的節(jié)能效果。
• 線路調(diào)節(jié)和負載調(diào)節(jié)性能良好，輸出電壓在不同輸入電壓和負載變化時保持穩(wěn)定。
• 最大輸入功率測試顯示，在過載保護啟動前，評估板能夠承受一定的輸入功率。
• 電磁兼容性測試中，ESD抗擾度、浪涌抗擾度和傳導發(fā)射均符合相關(guān)標準，證明了評估板在電磁環(huán)境中的可靠性。
• 熱測量結(jié)果顯示，在環(huán)境溫度23°C下，經(jīng)過一小時滿載運行后，主要組件的溫度都在合理范圍內(nèi)，表明評估板具有良好的散熱性能。

7. 波形與示波器圖

通過示波器記錄了評估板在不同工況下的各種波形，包括啟動、軟啟動、最大負載下的漏極和電流檢測電壓、頻率抖動、負載瞬態(tài)響應、輸出紋波電壓等。這些波形直觀地展示了評估板的工作狀態(tài)和性能特點，對于工程師深入理解電路工作原理和優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

8. 350 V AC運行電壓及組件更改建議

若要使評估板在高達350 V AC的電壓下運行，并在370 V AC實現(xiàn)線路過壓保護，需要對部分組件進行更改，如將C11更換為330 nF/350V AC電容，F(xiàn)1更換為1.6 A/350VAC保險絲等。同時，文檔還給出了350 V AC運行電壓下的線路過壓保護波形和相關(guān)電壓測量結(jié)果。

9. 其他變體評估的組件更改

對于想要評估ICE5BR4780AG - 1、ICE5BR3995AG - 1、ICE5GR1680AG - 1和ICE5GR2280AG - 1等其他變體IC特性和功能的用戶，文檔提供了變壓器設(shè)計和組件更改建議。不同變體的變壓器在初級電感、匝數(shù)和線徑等方面有所不同，同時，電流檢測電阻和輸出電容的值也需要相應調(diào)整。

總之，EVAL_5AR0680AG - 1_44W1評估板憑借其高性能、全面的保護功能和可擴展性，為電源設(shè)計工程師提供了一個優(yōu)秀的參考方案。無論是在常規(guī)應用還是特殊工況下，都能滿足低功耗、高效率和高可靠性的設(shè)計需求。各位工程師們在實際設(shè)計中，不妨根據(jù)具體應用場景對評估板進行適當?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的電源解決方案。大家在使用這款評估板或者進行相關(guān)設(shè)計時，遇到過哪些問題或者有什么獨到的見解呢？歡迎在評論區(qū)交流分享！