15W輔助開關電源設計：CoolSET? ICE5AR4770AG-1的應用與實踐
15W輔助開關電源設計：CoolSET? ICE5AR4770AG-1的應用與實踐
在電子設備的設計中，輔助開關電源（SMPS）的性能至關重要，它直接影響著整個系統的穩定性和效率。今天，我們就來深入探討一款基于英飛凌CoolSET? ICE5AR4770AG-1的15W輔助SMPS設計。
文件下載：Infineon Technologies REF_5AR4770AG-1_15W1參考板.pdf
一、文檔概述
這份工程報告詳細介紹了使用CoolSET? 第五代固定頻率（FF）ICE5AR4770AG-1 IC的15W輔助SMPS。報告涵蓋了電源規格、原理圖、物料清單、PCB布局和性能數據等內容，適用于希望為主要家用電器設計高效、可靠且易于設計的輔助電源的工程師和學生。
二、關鍵特性與應用場景
2.1 CoolSET? 系列優勢
英飛凌的CoolSET? AC-DC集成功率級采用固定頻率開關方案，具有更高的穩健性和出色的性能。該系列提供卓越的能源效率、全面的保護功能，并降低了系統成本，非常適合各種潛在應用中的輔助電源供應，如開關電源、家用電器、服務器和電信設備等。
2.2 ICE5AR4770AG-1 的應用場景
ICE5AR4770AG-1的目標應用包括白色家電、PC、服務器或電視的輔助電源，以及藍光播放器、機頂盒、游戲機、智能電表等的封閉式適配器。其集成的700V CoolMOS? MOSFET大大簡化了PCB的設計和布局，新改進的頻率降低和頻率抖動功能可降低EMI并提高效率，增強的有源突發模式（ABM）功率使待機功率操作范圍的選擇更加靈活。此外，該IC還實現了眾多可調保護功能，可保護系統并根據所選應用進行定制。
三、參考板設計
3.1 規格參數
| 參考板設計具有通用輸入，適用于大多數地理區域，提供三個輸出：隔離的12V/1A、5V/0.1A和非隔離的15V/0.1A，這是大多數家用電器中常見的配置。具體規格如下表所示： | 描述 | 符號 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 | 備注 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 輸入電壓頻率 | VIN | 85 47 | 115/230 | 264 63 | VAC Hz | 2線（無PE） | |
| fuINE | 50/60 | ||||||
| 無負載輸入功率 | Pstby_NL | 200 | mW | ||||
| 輸出 | |||||||
| 輸出電壓1 | Vourl | 12 | - | V | Vout1的LDO輸出，來自輔助繞組，Voutl1和Vout2滿載 | ||
| 輸出電流1 | lout1 | 0.02 | 1 | A | |||
| 輸出電流2 | lout1 | 0.01 | 0.1 | A | |||
| 輸出電壓3 | Vout1 | 15 | V | ||||
| 輸出電流3 | lout1 | 0.01 | 0.1 | A | |||
| 過流保護（Vout） | locp1 | 1.2 | - | 1.7 | A | ||
| 滿載平均（25%、50%、75%和100%） | nFL nave | 78 78 | % % | 115VAC/230VAC 115VAC/230VAC | |||
| 環境 | 裕度，CISPR 22 Class EN 61000-4-2 EN61000-4-5 | ||||||
| 傳導EMI ESD（接觸/空氣放電）·共模 | 6 ±8 ±4 | dB kV kV | |||||
| 浪涌抗擾度 | |||||||
| ·差模 | ±2 | kV | |||||
| PCB外形尺寸 | 57x80x30 | mm | LxWxH |
3.2 電路描述
3.2.1 線路輸入
交流線路輸入級由輸入保險絲F1、壓敏電阻VAR、X電容C11、X電容放電電阻R110和R110A、共模扼流圈L11、整流二極管BR11和大容量電容C13組成。其中，X電容C11和共模扼流圈L11作為EMI抑制器。
3.2.2 啟動
ICE5AR4770AG-1采用共源共柵結構對VCC電容進行快速充電。連接到GATE引腳（引腳10）的上拉電阻R16、R16A和R16B用于啟動啟動階段。當VICC達到導通電壓閾值16V時，IC開始軟啟動。軟啟動是一個基于數字時間的功能，預設軟啟動時間為12ms，分四個步驟。如果不受其他功能限制，CS引腳上的峰值電壓將從0.3V逐步增加到0.8V。IC導通后，VCC電壓由變壓器的輔助繞組提供，并在啟動期間實現了VCC對地短路保護。
3.2.3 集成MOSFET和PWM控制
ICE5AR4770AG-1包括一個功率MOSFET和一個具有頻率降低功能的FF PWM控制器，還實現了有源突發模式（ABM）以實現極低的待機輸入功率。PWM導通與內部振蕩器同步，PWM關斷由反饋信號VFB和電流傳感信號VCS通過電阻R14和R14A確定。此外，該IC還執行所有必要的保護功能，包括VCC過壓和欠壓、過載、過溫（控制器結）、線路過壓保護和VCC對地短路保護，這種集成解決方案大大簡化了電路布局并降低了PCB制造成本。
3.2.4 RCD鉗位電路
由R11、C15和D11組成的鉗位網絡用于耗散漏感能量并抑制SMPS變壓器上的振鈴。
3.2.5 輸出級
參考板有三個輸出：通過二極管D21和C22整流的隔離12V輸出，帶有輸出濾波器L21和C24；從12V輸出獲取的隔離5V輸出，由LDO IC22提供；通過LDO IC13提供的非隔離15V輸出。
3.2.6 反饋控制
系統使用TL431 IC21反饋電路監測12V輸出，并通過光耦合器IC12連接到ICE5AR4770AG-1的FB引腳進行輸出電壓控制。
3.3 PCB布局
報告提供了參考板的頂層和底層PCB布局圖，合理的布局對于減少電磁干擾和提高電源性能至關重要。
3.4 物料清單
詳細列出了參考板所需的所有元器件，包括型號、制造商和數量，為實際設計和生產提供了明確的指導。
3.5 變壓器構造
變壓器采用EE20/10/6、TP4A（TDG）磁芯和材料，14引腳、THT、水平版本的骨架，初級電感Lp = 550 μH（±10%），并給出了詳細的引腳連接、匝數、線徑和電氣規格等信息。
四、測試結果
4.1 效率
| 在不同輸入電壓和負載條件下對電源效率進行了測試，結果表明，在滿載時平均效率可達77% - 79%左右，具體數據如下表所示： | 輸入（V AC/Hz） | 負載百分比 | Pin（W） | Vout1（V） | lout1（A） | Vout2（V） | lout2（A） | Vout3（V） | lout3（A） | Pout（W） | 效率（%） | 平均效率（%） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 85V AC/60 Hz | 無負載 | 0.136 | 12.020 | 0.000 | 4.975 | 0.000 | 14.914 | 0.000 | 0.00 | |||
| 最小負載 | 0.808 | 12.010 | 0.020 | 4.970 | 0.010 | 14.914 | 0.010 | 0.44 | 54.34% | 77.47% | ||
| 25%負載 | 4.523 | 12.005 | 0.250 | 4.970 | 0.025 | 14.914 | 0.025 | 3.50 | 77.35% | |||
| 50%負載 | 8.906 | 11.995 | 0.500 | 4.963 | 0.050 | 14.914 | 0.050 | 6.99 | 78.50% | |||
| 75%負載 | 13.515 | 11.990 | 0.750 | 4.963 | 0.075 | 14.914 | 0.075 | 10.48 | 77.57% | |||
| 100%負載 | 18.276 | 11.985 | 1.000 | 4.963 | 0.100 | 14.914 | 0.100 | 13.97 | 76.45% | |||
| 115V AC/60 Hz | 無負載 | 0.139 | 12.012 | 0.000 | 4.975 | 0.000 | 14.914 | 0.000 | 0.00 | |||
| 最小負載 | 0.814 | 12.010 | 0.020 | 4.970 | 0.010 | 14.914 | 0.010 | 0.44 | 53.94% | |||
| 25%負載 | 4.481 | 12.002 | 0.250 | 4.970 | 0.025 | 14.914 | 0.025 | 3.50 | 78.05% | 79.03% | ||
| 50%負載 | 8.773 | 11.995 | 0.500 | 4.963 | 0.050 | 14.914 | 0.050 | 6.99 | 79.69% | |||
| 75%負載 | 13.205 | 11.987 | 0.750 | 4.963 | 0.075 | 14.914 | 0.075 | 10.48 | 79.37% | |||
| 100%負載 | 17.684 | 11.980 | 1.000 | 4.963 | 0.100 | 14.914 | 0.100 | 13.97 | 78.98% | |||
| 230V AC/50 Hz | 無負載 | 0.160 | 12.010 | 0.000 | 4.975 | 0.000 | 14.914 | 0.000 | 0.00 | |||
| 最小負載 | 0.860 | 12.010 | 0.020 | 4.970 | 0.010 | 14.914 | 0.010 | 0.44 | 51.05% | |||
| 25%負載 | 4.535 | 12.002 | 0.250 | 4.970 | 0.025 | 14.914 | 0.025 | 3.50 | 77.12% | 79.44% | ||
| 50%負載 | 8.760 | 11.995 | 0.500 | 4.963 | 0.050 | 14.914 | 0.050 | 6.99 | 79.81% | |||
| 75%負載 | 13.065 | 11.987 | 0.750 | 4.963 | 0.075 | 14.914 | 0.075 | 10.48 | 80.22% | |||
| 100%負載 | 17.330 | 11.980 | 1.000 | 4.963 | 0.100 | 14.914 | 0.100 | 13.97 | 80.60% | |||
| 264V AC/50 Hz | 無負載 | 0.170 | 12.012 | 0.000 | 4.975 | 0.000 | 14.914 | 0.000 | 0.00 | |||
| 最小負載 | 0.890 | 12.010 | 0.020 | 4.970 | 0.010 | 14.914 | 0.010 | 0.44 | 49.33% | |||
| 25%負載 | 4.572 | 12.002 | 0.250 | 4.970 | 0.025 | 14.914 | 0.025 | 3.50 | 76.50% | 79.03% | ||
| 50%負載 | 8.812 | 11.992 | 0.500 | 4.963 | 0.050 | 14.914 | 0.050 | 6.99 | 79.32% | |||
| 75%負載 | 13.119 | 11.985 | 0.750 | 4.963 | 0.075 | 14.914 | 0.075 | 10.48 | 79.88% | |||
| 100%負載 | 17.370 | 11.980 | 1.000 | 4.963 | 0.100 | 14.914 | 0.100 | 13.97 | 80.41% |
4.2 待機功率
待機功率測試結果顯示，在不同輸入電壓下，待機功率都能保持在較低水平，這得益于ICE5AR4770AG-1的ABM功能。
4.3 線路和負載調節
報告給出了線路和負載調節的測試結果和相關圖表，表明電源在不同輸入電壓和負載變化時能夠保持較好的輸出電壓穩定性。
4.4 最大輸入功率
測試了不同輸入電壓下的最大輸入功率和12V輸出的最大輸出電流，為電源的實際應用提供了重要參考。
4.5 ESD抗擾度（EN61000-4-2）
系統按照EN 61000-4-2標準進行了±8kV的ESD測試，包括接觸放電和空氣放電，在滿載電阻負載下測試結果為通過，顯示了良好的ESD抗擾能力。
4.6 浪涌抗擾度（EN 61000-4-5）
系統按照EN 61000-4-5標準進行了±2kV差模和±4kV共模的浪涌抗擾度測試，在滿載電阻負載且LOVP禁用的情況下測試結果為通過，證明了電源
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