基于CoolSET? ICE5AR4780BZS - 1的14W、15V和5V SMPS參考板設(shè)計(jì)解析

作為電子工程師，在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，不斷追求高效、可靠且低成本的解決方案是我們的目標(biāo)。今天，我將為大家詳細(xì)解析一款基于英飛凌CoolSET? ICE5AR4780BZS - 1開關(guān)控制器的14W、15V和5V離線非隔離反激式轉(zhuǎn)換器參考板。

文件下載：Infineon Technologies REF_5AR4780BZS-1_14W1 評(píng)估板.pdf

一、文檔概述

這份文檔主要圍繞REF_5AR4780BZS - 1_14W1參考板展開，旨在幫助電源設(shè)計(jì)工程師和學(xué)生設(shè)計(jì)低成本、高可靠性的離線開關(guān)電源（SMPS）。該參考板適用于多種應(yīng)用，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。

二、核心器件——CoolSET? ICE5AR4780BZS - 1

英飛凌的CoolSET?系列AC - DC集成功率級(jí)采用固定頻率開關(guān)方案，具有更高的穩(wěn)健性和出色的性能。ICE5AR4780BZS - 1作為該系列的一員，具備高效節(jié)能、全面的保護(hù)功能和降低系統(tǒng)成本的優(yōu)勢(shì)。它提供了可選的進(jìn)入和退出待機(jī)功率選項(xiàng)，具有寬VCC工作范圍和快速啟動(dòng)能力，以及多種保護(hù)模式，確保系統(tǒng)的高可靠性。

三、參考板設(shè)計(jì)

1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

參考板采用固定頻率非隔離反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，帶有初?jí)側(cè)反饋（FB），工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），固定開關(guān)頻率為100kHz。頻率降低和軟門極驅(qū)動(dòng)以及頻率抖動(dòng)功能，可降低電磁干擾（EMI），并在輕載至50%負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)更好的效率。

2. 規(guī)格參數(shù)

需要注意的是，該參考板設(shè)計(jì)為雙輸出且具有交叉調(diào)節(jié)環(huán)路反饋，若僅對(duì)單輸出加載，可能無法正常調(diào)節(jié)。若要評(píng)估單輸出條件，需要對(duì)電路板進(jìn)行相應(yīng)修改。

四、電路詳細(xì)分析

1. 輸入濾波

交流輸入側(cè)包括輸入保險(xiǎn)絲（F1）作為過流保護(hù)，共模扼流圈（CMC）（L1）和X電容（CX1）作為EMI抑制器。可選的火花間隙裝置（SA1，SA2）和壓敏電阻（Z1）可在雷擊浪涌測(cè)試期間吸收高壓應(yīng)力。通過橋式整流器（BR1）和大容量電容（C1）獲得整流后的直流電壓。

2. 啟動(dòng)

為實(shí)現(xiàn)快速安全啟動(dòng)，ICE5AR4780BZS - 1開關(guān)控制器采用高電阻啟動(dòng)電阻和VCC短路到地保護(hù)。當(dāng)VCC達(dá)到導(dǎo)通電壓閾值VCC_ON時(shí)，IC開始軟啟動(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。啟動(dòng)后，VCC電壓由變壓器的輔助繞組提供。

3. 頻率降低控制

該控制器可在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）或連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下運(yùn)行，具有頻率降低功能。參考板設(shè)計(jì)為在DCM模式下工作，當(dāng)系統(tǒng)在最大功率下運(yùn)行時(shí)，控制器以100kHz的固定頻率開關(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，最低開關(guān)頻率可達(dá)43kHz。

4. 頻率抖動(dòng)與調(diào)制門極驅(qū)動(dòng)

ICE5AR4780BZS - 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，可降低EMI噪聲。

5. RCD鉗位電路

鉗位網(wǎng)絡(luò)（R4，C2和D1）用于耗散漏感能量，抑制SMPS變壓器上的振鈴。該電路為耗散電路，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)。

6. 輸出級(jí)

轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)輸出，+15V和+5V。功率通過肖特基二極管（D151和D101）耦合輸出，電容（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，防止SMPS開關(guān)頻率和線頻率之間的干擾。

7. 反饋回路

輸出電壓由分壓器（R11，R103和R153）感測(cè)，并通過VERR引腳與ICE5AR4780BZS - 1 IC的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。比較電壓通過IC內(nèi)部的集成誤差放大器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，傳輸?shù)椒答佉_進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

8. 主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）

ICE5AR4780BZS - 1 IC可選擇主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）的進(jìn)入和退出功率（三個(gè)級(jí)別）。在輕載條件下，SMPS進(jìn)入ABM模式，此時(shí)控制器始終處于活動(dòng)狀態(tài)，但VCC必須保持在VVCC_OFF以上。在ABM模式下，效率顯著提高，同時(shí)支持低輸出紋波和快速負(fù)載突變響應(yīng)。

五、系統(tǒng)保護(hù)功能

ICE5AR4780BZS - 1提供了全面的保護(hù)功能，包括VCC過壓（OV）、欠壓（UV）、過載、過溫以及VCC短路到地保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入保護(hù)模式，直到故障排除后恢復(fù)正常運(yùn)行。

六、測(cè)試結(jié)果

1. 效率和調(diào)節(jié)

在不同輸入電壓和負(fù)載百分比下，參考板的效率表現(xiàn)良好，平均效率可達(dá)83%左右。

2. 待機(jī)功率

待機(jī)功率在不同輸入電壓下均能保持較低水平。

3. 線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)

輸出電壓在不同輸入電壓和負(fù)載變化下具有良好的調(diào)節(jié)性能。

4. 浪涌抗擾度

參考板通過了EN 61000 - 4 - 5標(biāo)準(zhǔn)的浪涌測(cè)試，差模浪涌耐受能力為±2kV。

5. 傳導(dǎo)發(fā)射

傳導(dǎo)EMI測(cè)試符合EN 55022 Class B標(biāo)準(zhǔn)。

6. 熱測(cè)量

在滿載條件下，參考板上最熱的組件溫度在可接受范圍內(nèi)。

七、總結(jié)與思考

通過對(duì)這款參考板的詳細(xì)分析，我們可以看到ICE5AR4780BZS - 1開關(guān)控制器在電源設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。它不僅提供了高效、可靠的解決方案，還具備豐富的保護(hù)功能，能夠滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。例如，在單輸出應(yīng)用中，按照文檔要求對(duì)電路板進(jìn)行修改，以確保輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。同時(shí)，對(duì)于熱管理和EMI抑制等方面，還可以進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以提高系統(tǒng)的整體性能。

作為電子工程師，我們需要不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，深入理解電路原理和器件特性，才能設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的電源解決方案。希望這篇文章能對(duì)大家在電源設(shè)計(jì)方面有所幫助，如果你有任何疑問或想法，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。