14W、15V 和 5V SMPS 參考板：CoolSET? ICE5AR3995BZ - 1 的卓越表現(xiàn)

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、可靠且成本效益高的開(kāi)關(guān)電源（SMPS）一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們將深入探討一款采用英飛凌 CoolSET? 第五代固定頻率增強(qiáng)型 ICE5AR3995BZ - 1 開(kāi)關(guān)控制器的 14W、15V 和 5V 非隔離反激式轉(zhuǎn)換器參考板，看看它能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

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一、參考板概述

這款參考板專為評(píng)估 CoolSET? ICE5AR3995BZ - 1 開(kāi)關(guān)控制器的性能而設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的效率、熱性能和電磁干擾（EMI）抑制。它采用固定頻率非隔離反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌в谐跫?jí)側(cè)反饋（FB），工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），固定開(kāi)關(guān)頻率為 100kHz。其目標(biāo)應(yīng)用廣泛，包括白色家電、PC、服務(wù)器和電視的輔助電源，以及游戲機(jī)的封閉式適配器等。

1.1 規(guī)格參數(shù)

參考板具有以下主要規(guī)格參數(shù)：

• 輸入：電壓范圍為 85 - 300VAC，頻率范圍為 47 - 64Hz，230VAC 時(shí)無(wú)負(fù)載輸入功率最大為 100mW。
• 輸出：有 +15V 和 +5V 兩個(gè)輸出，+15V 輸出電流最大為 830mA，+5V 輸出電流最大為 400mA，輸出功率標(biāo)稱值為 14.45W。
• 效率：在 115VAC/230VAC 時(shí)平均效率為 83%。
• 環(huán)境特性：傳導(dǎo) EMI 余量符合 CISPR 22 Class - B 標(biāo)準(zhǔn)，差模浪涌抗擾度為 ±2kV（EN61000 - 4 - 5）。
• 尺寸：PCB 尺寸為 110x66x27mm（LxWxH）。

需要注意的是，該參考板設(shè)計(jì)為雙輸出且?guī)в薪徊嬲{(diào)節(jié)環(huán)路 FB，如果僅對(duì)單輸出加載，可能無(wú)法正常調(diào)節(jié)。若要評(píng)估單輸出條件（如僅 15V），需要對(duì)電路板進(jìn)行相應(yīng)更改。

二、電路詳細(xì)解析

2.1 輸入濾波

交流輸入側(cè)包含輸入保險(xiǎn)絲（F1）用于過(guò)流保護(hù)，共模扼流圈（CMC）（L1）和 X 電容（CX1）作為 EMI 抑制器?？蛇x的火花間隙裝置（SA1、SA2）和壓敏電阻（Z1）可吸收雷擊浪涌測(cè)試期間的高電壓應(yīng)力。通過(guò)橋式整流器（BR1）和大容量電容（C1）可獲得整流后的直流電壓。

2.2 啟動(dòng)

為實(shí)現(xiàn)快速安全啟動(dòng)，ICE5AR3995BZ - 1 開(kāi)關(guān)控制器采用高電阻啟動(dòng)電阻和 $V{CC}$ 對(duì)地短路保護(hù)。當(dāng) $V{CC}$ 達(dá)到開(kāi)啟電壓閾值 $V{CC_ON}$ 時(shí)，IC 開(kāi)始軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)是基于數(shù)字時(shí)間的功能，預(yù)設(shè)軟啟動(dòng)時(shí)間約為 12ms，分四個(gè)步驟。IC 開(kāi)啟后，$V{CC}$ 電壓由變壓器的輔助繞組提供，并且在啟動(dòng)期間實(shí)現(xiàn)了 $V_{CC}$ 對(duì)地短路保護(hù)。

2.3 集成 CoolMOS? MOSFET 與頻率降低控制

集成的高效 CoolMOS? 超結(jié) MOSFET 和頻率降低控制功能，可在輕載到滿載條件下實(shí)現(xiàn)更好的效率。這種集成解決方案大大簡(jiǎn)化了電路布局，降低了 PCB 制造成本。該參考板設(shè)計(jì)為在 DCM 模式下工作，當(dāng)系統(tǒng)處于最大負(fù)載條件時(shí)，控制器以 100kHz 的固定頻率開(kāi)關(guān)。為了在輕載和中載之間實(shí)現(xiàn)更好的效率，實(shí)現(xiàn)了頻率降低功能，其降低曲線如圖 2 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率降低時(shí)，$V{CS}$ 由電流限制閾值或 PWM 運(yùn)算放大器鉗位。在最大頻率降低后，最小開(kāi)關(guān)頻率為 $f{OSC4_MIN}$（43kHz）。

2.4 頻率抖動(dòng)

ICE5AR3995BZ - 1 具有頻率抖動(dòng)功能，可降低 EMI 噪聲。抖動(dòng)頻率內(nèi)部設(shè)置為 100kHz（±4%），抖動(dòng)周期為 4ms。

2.5 RCD 鉗位電路

鉗位網(wǎng)絡(luò)（R4、C2 和 D1）用于耗散開(kāi)關(guān)電源變壓器上的漏感能量，并抑制振鈴。這是一個(gè)耗能電路，因此 R4 和 C2 需要根據(jù)電壓降額因子和效率要求進(jìn)行微調(diào)。

2.6 輸出級(jí)

該轉(zhuǎn)換器有 +15V 和 +5V 兩個(gè)輸出。功率通過(guò)肖特基二極管（D151 和 D101）耦合輸出。電容器（C152 和 C102）提供能量緩沖，隨后的 L - C 濾波器（L151 - C153 和 L101 - C103）用于降低輸出電壓紋波，并防止開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率和線路頻率之間的干擾。存儲(chǔ)電容器（C152 和 C102）選擇低 ESR 值，以最小化輸出電壓紋波。

2.7 反饋回路

輸出電壓由分壓器（R11、R103 和 R153）感測(cè)，并通過(guò) VERR 引腳與 ICE5AR3995BZ - 1 開(kāi)關(guān)控制器的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，該引腳連接到內(nèi)部集成誤差放大器的輸入。通過(guò)連接該引腳，可實(shí)現(xiàn)非隔離應(yīng)用。比較電壓通過(guò) IC 內(nèi)部集成誤差放大器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，傳輸?shù)?FB 引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

2.8 主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）

ICE5AR3995BZ - 1 開(kāi)關(guān)控制器可選擇 ABM 進(jìn)入和退出功率（三個(gè)級(jí)別）。在輕載條件下，開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入 ABM 模式。在此階段，控制器始終處于活動(dòng)狀態(tài)，但 $V{CC}$ 必須保持在 $V{CC_OFF}$ 以上。在 ABM 期間，效率顯著提高，同時(shí)支持 $V{OUT}$ 上的低紋波和負(fù)載突變條件下的快速響應(yīng)。進(jìn)入 ABM 需要滿足兩個(gè)條件：FB 電壓必須低于閾值 $V{FB_EXP}$，并且必須經(jīng)過(guò)一定的消隱時(shí)間（$t{FB_BEB}=36ms$）。一旦滿足這兩個(gè)條件，ABM 觸發(fā)器置位，控制器進(jìn)入 ABM 操作。在 ABM 期間，最大 CS 電壓從 $V{CS_N}$ 降低到 $V{CS_BXP}$，以降低傳導(dǎo)損耗和可聽(tīng)噪聲。在突發(fā)模式下，F(xiàn)B 電壓在 $V{FB_Bon_NISO}$ 和 $V{FB_Boff_NISO}$ 之間呈鋸齒狀變化。當(dāng)輸出負(fù)載突然增加時(shí)，F(xiàn)B 電壓立即升高，當(dāng) FB 電壓超過(guò) $V{FB_LB}$ 時(shí)，控制器離開(kāi) ABM，PCL 閾值電壓將立即恢復(fù)到 $V{CS_N}$ 以穩(wěn)定 $V{out}$。

三、保護(hù)特性

四、測(cè)試結(jié)果

4.1 效率和調(diào)節(jié)

通過(guò)不同輸入電壓和負(fù)載百分比下的測(cè)試，得到了輸入功率、輸出電壓、輸出電流、輸出功率、效率等參數(shù)。平均效率在 115VAC/230VAC 時(shí)達(dá)到 83%，顯示了該參考板在不同條件下的高效性能。

4.2 效率曲線

效率曲線直觀地展示了效率與輸出負(fù)載之間的關(guān)系，有助于工程師了解在不同負(fù)載情況下的效率表現(xiàn)。

4.3 待機(jī)功率

待機(jī)功率與交流輸入電壓的關(guān)系曲線顯示了該參考板在待機(jī)狀態(tài)下的低功耗特性。

4.4 線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)

線路調(diào)節(jié)曲線展示了滿載時(shí)輸出調(diào)節(jié)與交流輸入電壓的關(guān)系，負(fù)載調(diào)節(jié)曲線展示了輸出調(diào)節(jié)與負(fù)載的關(guān)系，這些曲線反映了參考板在不同輸入電壓和負(fù)載條件下的輸出穩(wěn)定性。

4.5 最大輸入功率

最大輸入功率和輸出電流（過(guò)載保護(hù)前）與交流輸入電壓的關(guān)系曲線，為工程師提供了在不同輸入電壓下的功率和電流限制信息。

4.6 浪涌抗擾度

該參考板通過(guò)了 EN 61000 - 4 - 5 安裝類別 4（線對(duì)線 ±2kV）的浪涌抗擾度測(cè)試，表明其具有良好的抗浪涌能力。

4.7 傳導(dǎo)發(fā)射

傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試按照 EN 55022（CISPR 22）Class - B 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在 115V AC 和 230V AC 滿載電阻負(fù)載下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示該參考板的傳導(dǎo) EMI 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.8 熱測(cè)量

在環(huán)境溫度為 25°C 的條件下，使用紅外熱成像相機(jī)對(duì)開(kāi)放框架參考板進(jìn)行熱測(cè)試。在滿載條件下運(yùn)行一小時(shí)后進(jìn)行測(cè)量，得到了參考板上最熱組件在 85V AC 和 300V AC 時(shí)的溫度，為熱設(shè)計(jì)提供了參考。

五、波形和示波器圖

通過(guò)示波器記錄了啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、滿載時(shí)的漏極和 CS 電壓、頻率抖動(dòng)、輸出紋波電壓、進(jìn)入和離開(kāi) ABM 等不同狀態(tài)下的波形，這些波形有助于工程師深入了解參考板的工作過(guò)程和性能。

六、總結(jié)

這款采用英飛凌 CoolSET? ICE5AR3995BZ - 1 開(kāi)關(guān)控制器的 14W、15V 和 5V SMPS 參考板，憑借其高效的性能、全面的保護(hù)功能和良好的 EMI 抑制能力，為電源設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是在效率、熱性能還是可靠性方面，都表現(xiàn)出色。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)參考板進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。你在使用類似參考板時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。