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

作為電子工程師，在電源設(shè)計領(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。今天，我將為大家詳細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)計工程師和學(xué)生設(shè)計低成本、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、全面的保護功能和降低系統(tǒng)成本的優(yōu)勢。它提供了可選的進入和退出待機功率選項，具有寬VCC工作范圍和快速啟動能力，以及多種保護模式，確保系統(tǒng)的高可靠性。

三、參考板設(shè)計

1. 拓撲結(jié)構(gòu)

參考板采用固定頻率非隔離反激式轉(zhuǎn)換器拓撲，帶有初級側(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)動以及頻率抖動功能，可降低電磁干擾（EMI），并在輕載至50%負載之間實現(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)計為雙輸出且具有交叉調(diào)節(jié)環(huán)路反饋，若僅對單輸出加載，可能無法正常調(diào)節(jié)。若要評估單輸出條件，需要對電路板進行相應(yīng)修改。

四、電路詳細分析

1. 輸入濾波

交流輸入側(cè)包括輸入保險絲（F1）作為過流保護，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

為實現(xiàn)快速安全啟動，ICE5AR4780BZS - 1開關(guān)控制器采用高電阻啟動電阻和VCC短路到地保護。當(dāng)VCC達到導(dǎo)通電壓閾值VCC_ON時，IC開始軟啟動。軟啟動是基于數(shù)字時間的功能，預(yù)設(shè)軟啟動時間約為12ms，分四個步驟。啟動后，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）下運行，具有頻率降低功能。參考板設(shè)計為在DCM模式下工作，當(dāng)系統(tǒng)在最大功率下運行時，控制器以100kHz的固定頻率開關(guān)。為了在輕載和中載之間實現(xiàn)更好的效率，實現(xiàn)了頻率降低，最低開關(guān)頻率可達43kHz。

4. 頻率抖動與調(diào)制門極驅(qū)動

ICE5AR4780BZS - 1具有頻率抖動功能，內(nèi)部設(shè)置抖動頻率為100kHz（±4kHz），抖動周期為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行微調(diào)。

6. 輸出級

轉(zhuǎn)換器有兩個輸出，+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，并通過VERR引腳與ICE5AR4780BZS - 1 IC的內(nèi)部參考電壓進行比較。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，傳輸?shù)椒答佉_進行調(diào)節(jié)控制。

8. 主動突發(fā)模式（ABM）

ICE5AR4780BZS - 1 IC可選擇主動突發(fā)模式（ABM）的進入和退出功率（三個級別）。在輕載條件下，SMPS進入ABM模式，此時控制器始終處于活動狀態(tài)，但VCC必須保持在VVCC_OFF以上。在ABM模式下，效率顯著提高，同時支持低輸出紋波和快速負載突變響應(yīng)。

五、系統(tǒng)保護功能

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

六、測試結(jié)果

1. 效率和調(diào)節(jié)

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

2. 待機功率

待機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)和負載調(diào)節(jié)

輸出電壓在不同輸入電壓和負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標準的浪涌測試，差模浪涌耐受能力為±2kV。

5. 傳導(dǎo)發(fā)射

傳導(dǎo)EMI測試符合EN 55022 Class B標準。

6. 熱測量

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

通過對這款參考板的詳細分析，我們可以看到ICE5AR4780BZS - 1開關(guān)控制器在電源設(shè)計中的優(yōu)勢。它不僅提供了高效、可靠的解決方案，還具備豐富的保護功能，能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求。在實際設(shè)計中，我們可以根據(jù)具體應(yīng)用對電路進行優(yōu)化和調(diào)整。例如，在單輸出應(yīng)用中，按照文檔要求對電路板進行修改，以確保輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。同時，對于熱管理和EMI抑制等方面，還可以進一步研究和改進，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)和實踐，深入理解電路原理和器件特性，才能設(shè)計出更加優(yōu)秀的電源解決方案。希望這篇文章能對大家在電源設(shè)計方面有所幫助，如果你有任何疑問或想法，歡迎在評論區(qū)留言討論。