44W、12V SMPS參考板：CoolSET? ICE5AR0680BZS - 1的卓越應(yīng)用

引言

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)高效、可靠且低成本的開關(guān)電源（SMPS）一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天要介紹的這款44W、12V SMPS參考板，采用了英飛凌最新的CoolSET? 第五代固定頻率加ICE5AR0680BZS - 1開關(guān)控制器，它在效率、待機(jī)功耗、保護(hù)功能等方面都有著出色的表現(xiàn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如白色家電、PC、服務(wù)器、電視的輔助電源，以及游戲機(jī)的封閉式適配器等。

文件下載：Infineon Technologies REF_5AR0680BZS-1_44W1 評(píng)估板.pdf

參考板概述

規(guī)格參數(shù)

參考板的規(guī)格參數(shù)十分亮眼。輸入電壓范圍寬達(dá)85VAC（60Hz） - 300VAC（50Hz），輸出為12V、3.66A，功率可達(dá)44W。動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)在12V負(fù)載從10%到100%變化時(shí)，僅為標(biāo)稱輸出電壓的 +3%。輸出紋波電壓在滿載、85VAC - 300VAC輸入時(shí)，12V紋波僅為100mVv。在115VAC和230VAC輸入下，有源模式四點(diǎn)平均效率（25%、50%、75%、100%負(fù)載）均大于87%，空載功耗在300VAC時(shí)小于100mW。在電磁兼容性方面，傳導(dǎo)發(fā)射（EN 55022 Class - B）測(cè)試中，115VAC輸入時(shí)有8dB余量，230VAC輸入時(shí)有6dB余量；ESD抗擾度（EN 61000 - 4 - 2）達(dá)到接觸放電4級(jí)、空氣放電3級(jí)；浪涌抗擾度（EN 61000 - 4 - 5）符合安裝類別4（線間 +2kV、線地 +4kV）。

電路設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

1. 線路輸入與啟動(dòng)：交流輸入側(cè)通過輸入保險(xiǎn)絲（F1）進(jìn)行過流保護(hù)，扼流圈（L11）、X電容（C11）和Y電容（CY1）作為EMI抑制器?？蛇x的火花間隙裝置（SA1和SA2）和壓敏電阻（VAR）能在雷擊浪涌測(cè)試時(shí)吸收高壓應(yīng)力。通過橋式整流器（BR1）和大容量電容（C13）得到120 - 424V DC的整流直流電壓。ICE5AR0680BZS - 1開關(guān)控制器采用啟動(dòng)電阻和VCC對(duì)地短路保護(hù)實(shí)現(xiàn)快速安全啟動(dòng)。當(dāng)VCC達(dá)到16V的導(dǎo)通電壓閾值時(shí)，IC開始軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)為數(shù)字時(shí)間基函數(shù)，預(yù)設(shè)軟啟動(dòng)時(shí)間為12ms，分四步進(jìn)行，若不受其他功能限制，CS引腳的峰值電壓將從0.3V逐步增加到0.8V。IC導(dǎo)通后，VCC電壓由變壓器的輔助繞組提供。
2. 集成CoolMOS? MOSFET與頻率降低控制：該控制器集成了CoolMOS?超結(jié)MOSFET和頻率降低控制功能，能在輕載到50%負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)更好的效率。它可在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）或帶頻率降低模式的連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作，本參考板設(shè)計(jì)為在CCM模式下運(yùn)行，以提高低線滿載條件下的效率。系統(tǒng)在最大功率運(yùn)行時(shí)，控制器以100kHz的固定頻率切換；為在輕載和中載之間實(shí)現(xiàn)更好的效率，采用了頻率降低功能，最大頻率降低后，最小開關(guān)頻率為43kHz。
3. 頻率抖動(dòng)：ICE5AR0680BZS - 1具有頻率抖動(dòng)功能，內(nèi)部設(shè)置抖動(dòng)頻率為100kHz（±4kHz），抖動(dòng)周期為4ms，可有效降低EMI噪聲。
4. RCD鉗位電路：由R11、R11A、C15和D11組成的鉗位網(wǎng)絡(luò)，可消耗漏感能量，抑制SMPS變壓器上的振鈴。
5. 輸出級(jí)：次級(jí)側(cè)有一個(gè)12V的單輸出，通過肖特基二極管（D21）耦合輸出功率。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，顯著減少SMPS開關(guān)頻率和線頻率之間的干擾。存儲(chǔ)電容（C22、C23和C23A）設(shè)計(jì)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。
6. 反饋回路：輸出通過分壓器（R26和R25）進(jìn)行采樣，與IC21（TL431）內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。電容和電阻（C25、C26和R24）構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。IC21（TL431）的輸出電壓通過光耦合器IC12和兩個(gè)電阻（R22和R23）轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，用于調(diào)節(jié)控制。
7. 有源突發(fā)模式（ABM）：ABM的進(jìn)入和退出功率有三種選擇，本參考板設(shè)置為選項(xiàng)3。在輕載條件下，SMPS進(jìn)入ABM運(yùn)行，此時(shí)控制器始終處于活動(dòng)狀態(tài)，但保持VVCC高于關(guān)斷閾值。在ABM期間，效率顯著提高，同時(shí)支持Vout上的低紋波和負(fù)載突變時(shí)的快速響應(yīng)。進(jìn)入ABM運(yùn)行需要滿足兩個(gè)條件：FB電壓必須低于VFBB_EBXP閾值；需要一定的消隱時(shí)間（tFB_BEB = 36ms）。

保護(hù)功能

測(cè)試結(jié)果

效率、調(diào)節(jié)和輸出紋波

在不同輸入電壓和負(fù)載條件下，參考板的效率表現(xiàn)良好。例如，在115VAC、60Hz輸入，25% - 100%負(fù)載范圍內(nèi)，平均效率達(dá)到87.07%；在230VAC、50Hz輸入時(shí)，平均效率為87.75%。輸出電壓調(diào)節(jié)穩(wěn)定，輸出紋波電壓在不同負(fù)載和輸入電壓下也能滿足設(shè)計(jì)要求。

待機(jī)功率

在無負(fù)載情況下，不同交流輸入電壓下的待機(jī)功率較低，如在300VAC輸入時(shí)，無負(fù)載功率消耗小于100mW。

線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)

線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)性能良好，能夠在不同輸入電壓和輸出功率變化時(shí)，保持輸出電壓的穩(wěn)定。

最大輸入功率

在過載保護(hù)前，不同交流輸入電壓下的最大輸入功率也有相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。

浪涌抗擾度和傳導(dǎo)發(fā)射

參考板通過了EN 61000 - 4 - 5浪涌抗擾度測(cè)試，符合安裝類別4的要求。在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試中，通過了EN 55022（CISPR 22）Class - B標(biāo)準(zhǔn)，115VAC輸入時(shí)有8dB余量，230VAC輸入時(shí)有6dB余量。

熱測(cè)量

在環(huán)境溫度為25°C、滿載運(yùn)行一小時(shí)后，使用紅外熱成像相機(jī)（FLIRT62101）對(duì)參考板進(jìn)行熱測(cè)量。主要組件的溫度在不同輸入電壓下都處于合理范圍內(nèi)，如IC11（ICE5AR0680BZS - 1）在85VAC輸入時(shí)溫度為85.3°C，在300VAC輸入時(shí)為82.2°C。

總結(jié)

這款44W、12V SMPS參考板基于CoolSET? ICE5AR0680BZS - 1開關(guān)控制器，在效率、保護(hù)功能、電磁兼容性等方面都有著出色的表現(xiàn)。其豐富的功能和良好的測(cè)試結(jié)果，為電源設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的參考方案，無論是在白色家電、PC、服務(wù)器、電視的輔助電源，還是游戲機(jī)的封閉式適配器等應(yīng)用中，都具有很大的應(yīng)用潛力。各位工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)具體需求對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)更好的性能。你在使用類似參考板時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。