45W適配器演示板：800V CoolMOS? P7與ICE2QS03G準諧振PWM控制器的完美結(jié)合

在電源設計領(lǐng)域，不斷追求更高的效率、更低的成本和更小的尺寸是永恒的目標。英飛凌推出的這款45W適配器演示板，采用了全新的800V CoolMOS? P7和ICE2QS03G準諧振PWM控制器，為我們帶來了許多值得關(guān)注的亮點。今天，我就來和大家詳細探討一下這款演示板的相關(guān)技術(shù)。

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一、演示板概述

這款45W適配器演示板主要用于充電器和適配器應用的測試平臺，旨在展示800V CoolMOS? P7的工作情況以及整體控制器的設計。它采用準諧振反激拓撲結(jié)構(gòu)，這種拓撲結(jié)構(gòu)能夠有效降低開關(guān)損耗，實現(xiàn)更高的功率密度設計，同時減少輻射和傳導干擾。該演示板基于ICE2QS03G控制器和P7 MOSFET，實現(xiàn)了90V - 265V交流輸入，輸出19V、45W的功率。

二、準諧振反激原理

1. 降低開關(guān)損耗

與傳統(tǒng)的固定頻率反激轉(zhuǎn)換器相比，準諧振反激（QR Flyback）通過控制初級MOSFET的導通時間，顯著降低了開關(guān)損耗。在反激式轉(zhuǎn)換器工作于不連續(xù)導通模式（DCM）時，初級MOSFET導通，能量存儲在初級側(cè)，電流上升；MOSFET關(guān)斷后，變壓器中的能量轉(zhuǎn)移到次級側(cè)電容。此時，初級電感中剩余的能量會與MOSFET的輸出電容發(fā)生諧振。

在固定頻率反激中，開關(guān)導通與MOSFET的漏源電壓 (V{DS}) 無關(guān)，若在較高的 (V{DS}) 下開關(guān)，會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗 (E{oss})。而準諧振反激則會等待 (V{DS}) 降至最低時再導通MOSFET，根據(jù)公式 (P{sw{-}on}=0.5 f{sw} C{OSS} V{DS}^{2}) 可知，開關(guān)導通損耗與 (V{DS}) 的平方成正比，因此這種方式能大幅降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗。

2. 減少電磁干擾

降低開關(guān)損耗的同時，準諧振反激還能減少開關(guān)能量，從而降低轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲，減少輻射和傳導干擾。此外，800V CoolMOS? P7技術(shù)允許提高反射電壓，增加了DCM期間存儲在磁化電感中的能量，使得開關(guān)能在更低的 (V{DS}) 電壓下進行，進一步降低了開關(guān)損耗。同時，該MOSFET具有較低的柵極電荷 (Q{G}) 和輸出電容 (C_{oss})，也有助于減少開關(guān)損耗。

三、ICE2QS03G控制器功能

ICE2QS03G是英飛凌科技開發(fā)的第二代準諧振反激控制器IC，適用于電視機、DVD播放器、機頂盒、上網(wǎng)本適配器、家庭音頻和打印機等應用。它具有以下特點：

1. 最低振鈴電壓開關(guān)

該控制器能夠在最低振鈴電壓下進行開關(guān)操作，提高了效率。

2. 輕載脈沖跳過功能

在輕載情況下，控制器會采用脈沖跳過技術(shù)，以實現(xiàn)寬負載范圍內(nèi)的最高效率。

四、800V CoolMOS? P7優(yōu)勢

1. 性能與成本優(yōu)化

與C3系列相比，800V CoolMOS? P7在相同的 (R{DS(on)}) 下，成本更低，性能更優(yōu)。由于其寄生元件 (C{oss}) 和 (Q{G}) 減小，開關(guān)損耗降低。特別是在較高的漏源開關(guān)電壓和低輸出功率時，由于輸出寄生元件的改善，開關(guān)損耗的降低更為明顯。這使得我們可以選擇更高的 (R{DS(ON)}) 器件，進一步降低物料清單（BOM）成本，或者提高電源設計的功率密度。

2. 仿真模型助力設計

英飛凌網(wǎng)站提供了P7 800V MOSFET的PSpice模型，這些模型經(jīng)過實際測量擬合，具有很高的精度。通過這些模型，我們可以更好地理解反激轉(zhuǎn)換器初級MOSFET的功率損耗機制，優(yōu)化設計。例如，通過模型分析可知，在高輸入電壓下，MOSFET的開關(guān)損耗是主要的損耗來源；而在低輸入電壓下，導通損耗 (R_{DS(ON)}) 占主導地位。

3. 不同封裝熱性能對比

在封裝方面，DPAK MOSFET封裝適用于低成本應用，如充電器和適配器。它的熱性能略低于TO - 220 FullPAK（TO - 220FP），但封裝成本更低，能夠?qū)崿F(xiàn)整體BOM成本的節(jié)約。同時，DPAK封裝尺寸更小，有利于實現(xiàn)更高的功率密度設計，并且可以采用表面貼裝技術(shù)（SMD）。

在英飛凌的45W適配器中，同時支持TO - 220FP和DPAK兩種封裝。在25°C環(huán)境溫度下，對兩種封裝在120V和230V交流輸入、滿載（45W）的情況下進行了熱性能測試。結(jié)果表明，DPAK封裝的溫度比FullPAK封裝高，這主要是因為MOSFET安裝在印刷電路板底部時會受到周圍元件（如緩沖器和變壓器）的加熱影響。

在實際應用中，如果選擇DPAK封裝，需要根據(jù)所需的環(huán)境工作條件，考慮增加銅面積或降低輸出功率，以確保在最壞情況下有足夠的熱余量。

五、設計考慮因素

1. 800V MOSFET的優(yōu)勢

800V CoolMOS? P7為充電器和適配器應用帶來了諸多好處。其800V的擊穿電壓允許比600V或650V器件實現(xiàn)更高的母線電壓、反射電壓和緩沖器電壓組合。通過提高反射電壓和緩沖器電壓，可以在保持較高擊穿電壓裕度的同時降低系統(tǒng)功率損耗。

在英飛凌的45W適配器設計中，與使用600V MOSFET的35W適配器相比，反射電壓得到了提高。反射電壓決定了準諧振反激轉(zhuǎn)換器在DCM振鈴期間開關(guān)導通的谷底電壓，提高反射電壓可以使振鈴波形的谷底更低，從而使轉(zhuǎn)換器在更低的 (V_{DS}) 電壓下開關(guān)，減少系統(tǒng)的開關(guān)損耗，特別是在高輸入電壓（265V AC）下。

2. 緩沖器網(wǎng)絡優(yōu)化

同時，通過增加反射電壓和降低緩沖器電阻的能量耗散，減少了初級側(cè)RCD緩沖器網(wǎng)絡電阻的功率損耗。這在輕負載運行時尤為明顯，能夠有效降低系統(tǒng)的整體損耗。

3. UVLO電路設計

欠壓鎖定（UVLO）電路用于在交流輸入電壓低于指定范圍時關(guān)閉電源。該電路通過電壓分壓器電阻（R12、R13、R14和R17）檢測TL431的REF引腳電壓，Q2作為開關(guān)控制FB引腳電壓，實現(xiàn)進入或退出UVLO模式。Q3和R17則為UVLO電路提供電壓遲滯，U2（TL431）作為比較器。

通過計算，“進入UVLO”閾值設置為77.8V DC，以允許母線電容電壓在90V AC滿載運行時下降一定幅度，同時避免誤觸發(fā)。當輸入電壓回到正常范圍， (V{REF}) 升高到2.5V， (V{cc}) 達到18V時，UVLO模式解除。

六、演示板特性與規(guī)格

1. 規(guī)格參數(shù)

2. 保護功能

該演示板具備多種保護功能，確保了電源的可靠性和穩(wěn)定性：

• 折返點保護：通過根據(jù)母線電壓調(diào)整 (V_{CS}) 電壓限制，避免在輸出過功率情況下增加變壓器和輸出二極管的成本。
• (V_{CC}) 過壓和欠壓保護：在正常運行時，持續(xù)監(jiān)測 (V_{CC}) 電壓，當電壓超出范圍時，IC進入自動重啟模式。
• 過載/開環(huán)保護：在控制環(huán)開路、二次側(cè)短路或過載時，反饋電壓會被拉高，IC進入自動重啟模式。
• 可調(diào)輸出過壓保護：在功率開關(guān)關(guān)斷期間，監(jiān)測零交叉引腳ZC的電壓，若超過預設閾值3.7V持續(xù)100μs，IC鎖定關(guān)閉。
• 過溫保護自動重啟：當控制器溫度達到140°C時，IC關(guān)閉開關(guān)并進入自動重啟模式，保護功率MOSFET免受過溫損壞。
• 短路繞組保護：通過外部電阻R15和R16檢測MOSFET的源極電流，若電流檢測引腳電壓在功率開關(guān)導通期間超過預設閾值1.68V，IC鎖定關(guān)閉，同時內(nèi)置190ns的尖峰抑制時間，避免誤觸發(fā)。

七、測試結(jié)果

1. 效率測試

在不同的輸入電壓和負載條件下，對45W適配器的效率進行了測試，并與英飛凌的35W適配器進行了對比。結(jié)果表明，采用IPA80R450P7的45W適配器在230V AC和120V AC輸入時，效率均高于使用IPD60R600P6的35W適配器，顯示出更好的性能。

2. 正常運行測試

在低輸入電壓（100V AC）和高輸入電壓（265V AC）無負載情況下，ICE2QS03G控制器均工作在突發(fā)模式，每33.8ms出現(xiàn)一次脈沖序列，主開關(guān)在脈沖序列之間處于非激活狀態(tài)，以降低輕載功耗。在滿載（45W）情況下，記錄了初級MOSFET Q1的 (V{DS})、 (I{DS}) 和 (V_{GS}) 波形，確定了正常運行時的最壞情況峰值電流和峰值漏源電壓。

3. 浪涌測試

為確保電源在異常線路條件下的可靠性，對45W電源進行了2kV EN61000浪涌測試。測試結(jié)果顯示，在滿載（45W）運行時，Q1的 (V_{DS}) 最高達到704V，在最壞情況下仍有96V的裕度，表明該電源能夠承受浪涌沖擊。

4. 熱性能測試

在不同的交流輸入電壓和滿載條件下，對演示板的熱性能進行了測試。結(jié)果表明，在較低的輸入電壓下，由于初級側(cè)電流較大，線路濾波器和橋式整流器溫度較高；而在230V輸入時，由于初級側(cè)峰值電流降低，初級MOSFET（Q1）溫度較低。

八、總結(jié)

英飛凌的這款45W適配器演示板，結(jié)合了800V CoolMOS? P7和ICE2QS03G準諧振PWM控制器，在開關(guān)損耗性能上相比800V C3 MOSFET有了顯著提升。從600V器件切換到800V器件，通過提高反射電壓和緩沖器電壓，進一步降低了轉(zhuǎn)換器的損耗，同時增加了MOSFET漏源電壓的裕度，提高了整體系統(tǒng)效率，降低了BOM成本。

此外，800V CoolMOS? P7在DPAK封裝中提供了低至280mΩ的 (R_{DS(ON)})，比最接近的800V MOSFET競爭對手低50%以上，為高功率密度設計、BOM成本節(jié)約和低組裝成本提供了可能。對于電源設計工程師來說，這款演示板無疑是一個值得深入研究和借鑒的優(yōu)秀案例。大家在實際設計中，是否也會考慮采用類似的方案呢？歡迎在評論區(qū)分享你的想法。