20W 5V SMPS評估板：準(zhǔn)諧振CoolSET? ICE2QR2280G - 1的魅力展現(xiàn)

在電子工程師的日常工作中，開關(guān)電源（SMPS）的設(shè)計是一個重要且富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。今天，我們就來深入探討一下英飛凌（Infineon）的20W 5V SMPS評估板，它采用了準(zhǔn)諧振CoolSET? ICE2QR2280G - 1，為我們帶來了高效、低待機功耗和可靠的電源解決方案。

文件下載：EVAL2QR2280G1TOBO1.pdf

評估板概述

這個評估板主要是為了評估ICE2QR2280G - 1的性能而設(shè)計的。它適用于多種小功率電源應(yīng)用，如藍(lán)光播放器、DVD播放器、機頂盒、游戲機、智能電表、充電器以及LED電視等大功率系統(tǒng)的輔助電源。該評估板文檔包含了特性列表、電源規(guī)格、原理圖、物料清單和變壓器構(gòu)造文檔等內(nèi)容，還在報告末尾展示了典型的工作特性，如性能曲線和示波器波形。

評估板規(guī)格

輸入輸出參數(shù)

• 輸入電壓：85VAC ~ 265VAC，具有很寬的輸入電壓范圍，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 輸入頻率：50 ~ 60Hz，能兼容常見的電源頻率。
• 輸出電壓、電流和功率：5V，4A，20W，滿足一般小功率設(shè)備的供電需求。
• 滿載和最小輸入交流電壓下的最小開關(guān)頻率：65kHz。
• 空載功耗：< 50mW，體現(xiàn)了其低功耗的特性。
• 有源模式四點平均效率（25%、50%、75%和100%負(fù)載）：在115VAC和230VAC下均 > 80%，效率表現(xiàn)出色。

ICE2QR2280G - 1的特性

強大的硬件集成

• 800V雪崩耐用CoolMOS?：內(nèi)置啟動單元，簡化了電路設(shè)計，減少了外部元件的使用。

  高效的工作模式

• 準(zhǔn)諧振操作：能在極低負(fù)載下保持準(zhǔn)諧振運行，降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。
• 有源突發(fā)模式操作：實現(xiàn)低待機輸入功率（< 0.1W），進(jìn)一步降低功耗。
• 數(shù)字頻率降低：隨著負(fù)載的降低，數(shù)字頻率相應(yīng)降低，減少開關(guān)損耗。

  可靠的保護機制

• 內(nèi)置數(shù)字軟啟動：避免啟動時的電流沖擊，保護電路元件。
• 折返點校正、逐周期峰值電流限制和最大導(dǎo)通時間限制：確保電路在各種工況下的穩(wěn)定運行。
• 自動重啟模式：用于VCC過壓保護、欠壓保護、過載保護和過溫保護，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 鎖存關(guān)閉模式：用于可調(diào)輸出過壓保護和變壓器短路繞組保護，增強系統(tǒng)的安全性。
• 較低的VCC關(guān)斷閾值：能更靈敏地響應(yīng)異常情況。

電路詳細(xì)解析

市電輸入整流和濾波

交流輸入側(cè)有輸入保險絲F1作為過流保護。X2電容C1和扼流圈L1構(gòu)成主濾波器，減少射頻干擾（RFI）反饋到主電源。經(jīng)過橋式整流器BR1和濾波電容C2后，根據(jù)市電輸入電壓提供70V至380VDC的電壓。

集成MOSFET和PWM控制

ICE2QR2280G - 1集成了功率MOSFET和準(zhǔn)諧振控制器，大大簡化了電路布局，降低了PCB制造成本。PWM的開啟由過零輸入信號和上下計數(shù)器的值決定，關(guān)閉由反饋信號VFB和電流傳感信號VCS決定。同時，它還具備反激式轉(zhuǎn)換器所需的所有保護功能。

輸出級

在次級側(cè)，通過肖特基二極管D21輸出5V電壓。電容C21和C22提供能量緩沖，L - C濾波器L21和C23減少輸出紋波，防止開關(guān)電源開關(guān)頻率和市電頻率之間的干擾。存儲電容C21和C22的內(nèi)部電阻（ESR）設(shè)計得盡可能小，以減少三角電流引起的輸出電壓紋波。

反饋回路

輸出電壓通過Rc1和Rc3組成的分壓器進(jìn)行采樣，并與TL431的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。Cc1、Cc2和Rc4構(gòu)成補償網(wǎng)絡(luò)。TL431的輸出電壓通過光耦合器IC2和兩個電阻Rc5和Rc6轉(zhuǎn)換為電流信號，用于調(diào)節(jié)控制。

電路工作模式

啟動操作

ICE2QR2280G - 1內(nèi)置啟動單元，無需外部啟動電阻，顯著提高了待機性能。當(dāng)VCC達(dá)到開啟電壓閾值18V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)軟啟動時間為12ms，分4步進(jìn)行。如果不受其他功能限制，CS引腳的峰值電壓將從0.32V逐步增加到1V。IC開啟后，VCC電壓由變壓器的輔助繞組提供。

正常模式操作

啟動后，次級輸出電壓建立。采用TL431和光耦合器進(jìn)行次級調(diào)節(jié)控制。補償網(wǎng)絡(luò)Cc1、Cc2和Rc4構(gòu)成TL431誤差放大器的外部電路，能根據(jù)動態(tài)變化的負(fù)載條件精確控制反饋，提供穩(wěn)定的控制。

初級側(cè)峰值電流控制

通過外部電阻R4和R4A感測MOSFET的漏源電流。由于ICE2QR2280G - 1是電流模式控制器，它能進(jìn)行逐周期的初級電流和反饋電壓控制，確保在每個開關(guān)周期內(nèi)控制轉(zhuǎn)換器的最大功率。

數(shù)字頻率降低

在正常運行期間，ICE2QR2280G - 1的開關(guān)頻率會隨著負(fù)載的降低而數(shù)字式降低。在輕負(fù)載時，MOSFET不會在第一個最小漏源電壓時刻開啟，而是在第n個時刻開啟。計數(shù)器范圍為1到7，取決于基于時間的反饋電壓。反饋電壓隨輸出功率需求的降低而降低，反之亦然。因此，通過監(jiān)測電壓VFB來設(shè)置計數(shù)器，低VFB時計數(shù)器增加，高VFB時計數(shù)器減少，閾值在IC內(nèi)部預(yù)設(shè)。

突發(fā)模式操作

在輕負(fù)載條件下，開關(guān)電源進(jìn)入有源突發(fā)模式。此時，控制器始終處于活動狀態(tài)，但VCC必須保持在關(guān)斷閾值以上。在有源突發(fā)模式下，效率顯著提高，同時支持輸出電壓Vout的低紋波和負(fù)載突變時的快速響應(yīng)。進(jìn)入有源突發(fā)模式需要滿足三個條件：反饋電壓低于VFBEB（1.25V），上下計數(shù)器為7，以及一定的消隱時間tBEB。一旦滿足這些條件，有源突發(fā)模式觸發(fā)器置位，控制器進(jìn)入有源突發(fā)模式操作。在有源突發(fā)模式下，最大電流感測電壓從1V降低到0.34V，以減少傳導(dǎo)損耗和可聽噪聲。

保護特性

VCC過壓和欠壓保護

在正常運行期間，持續(xù)監(jiān)測VCC電壓。當(dāng)VCC電壓低于欠壓鎖定水平（Vcc, off）或升高到VCC, OWP時，IC將進(jìn)入自動重啟模式。

折返點保護

對于準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器，在所有市電輸入電壓范圍內(nèi)使用恒定電流限制值會增加最大可能輸出功率，這通常是不希望的，因為在輸出過功率情況下會增加變壓器和輸出二極管的成本。內(nèi)部折返保護根據(jù)母線電壓調(diào)整VCS電壓限制，通過在MOSFET導(dǎo)通期間感測從ZC引腳流出的電流來實現(xiàn)。結(jié)果是，在高輸入電壓下最大電流限制降低，最大輸出功率相對于輸入電壓得到很好的限制。

開環(huán)/過載保護

在控制環(huán)路開路的情況下，反饋電壓會被內(nèi)部拉高。經(jīng)過30ms的固定消隱時間后，IC進(jìn)入自動重啟模式。在次級短路或過載的情況下，調(diào)節(jié)電壓VFB也會被拉高，同樣應(yīng)用保護，IC將自動重啟。

可調(diào)輸出過壓保護

在功率開關(guān)關(guān)斷期間，監(jiān)測過零引腳ZC的電壓以檢測輸出過壓。如果電壓在預(yù)設(shè)的100μs內(nèi)高于預(yù)設(shè)閾值3.7V，IC將被鎖存關(guān)閉。

短路繞組保護

通過兩個并聯(lián)的分流電阻R4和R4A感測MOSFET的源極電流。如果在功率開關(guān)導(dǎo)通期間電流傳感引腳的電壓高于預(yù)設(shè)閾值Vcssw（1.68V），IC將被鎖存關(guān)閉。為避免意外鎖存關(guān)閉，內(nèi)部比較器的輸出集成了190ns的尖峰消隱時間。

過溫保護自動重啟

IC內(nèi)置過溫保護功能。當(dāng)控制器溫度達(dá)到140°C時，IC將關(guān)閉開關(guān)并進(jìn)入自動重啟模式，保護功率MOSFET免受過熱損壞。

測試結(jié)果

效率、調(diào)節(jié)和輸出紋波

測試結(jié)果顯示，在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下，評估板都能保持較高的效率。例如，在115VAC和230VAC輸入電壓下，有源模式四點平均效率均 > 80%。同時，輸出電壓穩(wěn)定在5V左右，輸出紋波也得到了很好的控制。

待機功率

在空載情況下，待機功率隨交流輸入電壓的變化曲線顯示，待機功率較低，滿足節(jié)能要求。

英飛凌的20W 5V SMPS評估板采用準(zhǔn)諧振CoolSET? ICE2QR2280G - 1，憑借其高效、低待機功耗和豐富的保護功能，為電子工程師提供了一個優(yōu)秀的電源解決方案。在實際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)具體需求對電路進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以滿足不同設(shè)備的供電要求。大家在設(shè)計類似電源時，不妨考慮一下這款評估板的設(shè)計思路和特點，說不定能為你的項目帶來新的啟發(fā)。你在電源設(shè)計中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。