44W、12V SMPS參考板：CoolSET? ICE5AR0680BZS - 1的卓越應用

引言

在電源設計領域，如何實現高效、可靠且低成本的開關電源（SMPS）一直是工程師們追求的目標。今天要介紹的這款44W、12V SMPS參考板，采用了英飛凌最新的CoolSET? 第五代固定頻率加ICE5AR0680BZS - 1開關控制器，它在效率、待機功耗、保護功能等方面都有著出色的表現，適用于多種應用場景，如白色家電、PC、服務器、電視的輔助電源，以及游戲機的封閉式適配器等。

文件下載：Infineon Technologies REF_5AR0680BZS-1_44W1 評估板.pdf

參考板概述

規格參數

參考板的規格參數十分亮眼。輸入電壓范圍寬達85VAC（60Hz） - 300VAC（50Hz），輸出為12V、3.66A，功率可達44W。動態負載響應在12V負載從10%到100%變化時，僅為標稱輸出電壓的 +3%。輸出紋波電壓在滿載、85VAC - 300VAC輸入時，12V紋波僅為100mVv。在115VAC和230VAC輸入下，有源模式四點平均效率（25%、50%、75%、100%負載）均大于87%，空載功耗在300VAC時小于100mW。在電磁兼容性方面，傳導發射（EN 55022 Class - B）測試中，115VAC輸入時有8dB余量，230VAC輸入時有6dB余量；ESD抗擾度（EN 61000 - 4 - 2）達到接觸放電4級、空氣放電3級；浪涌抗擾度（EN 61000 - 4 - 5）符合安裝類別4（線間 +2kV、線地 +4kV）。

電路設計亮點

1. 線路輸入與啟動：交流輸入側通過輸入保險絲（F1）進行過流保護，扼流圈（L11）、X電容（C11）和Y電容（CY1）作為EMI抑制器。可選的火花間隙裝置（SA1和SA2）和壓敏電阻（VAR）能在雷擊浪涌測試時吸收高壓應力。通過橋式整流器（BR1）和大容量電容（C13）得到120 - 424V DC的整流直流電壓。ICE5AR0680BZS - 1開關控制器采用啟動電阻和VCC對地短路保護實現快速安全啟動。當VCC達到16V的導通電壓閾值時，IC開始軟啟動，軟啟動為數字時間基函數，預設軟啟動時間為12ms，分四步進行，若不受其他功能限制，CS引腳的峰值電壓將從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。
2. 集成CoolMOS? MOSFET與頻率降低控制：該控制器集成了CoolMOS?超結MOSFET和頻率降低控制功能，能在輕載到50%負載條件下實現更好的效率。它可在不連續導通模式（DCM）或帶頻率降低模式的連續導通模式（CCM）下工作，本參考板設計為在CCM模式下運行，以提高低線滿載條件下的效率。系統在最大功率運行時，控制器以100kHz的固定頻率切換；為在輕載和中載之間實現更好的效率，采用了頻率降低功能，最大頻率降低后，最小開關頻率為43kHz。
3. 頻率抖動：ICE5AR0680BZS - 1具有頻率抖動功能，內部設置抖動頻率為100kHz（±4kHz），抖動周期為4ms，可有效降低EMI噪聲。
4. RCD鉗位電路：由R11、R11A、C15和D11組成的鉗位網絡，可消耗漏感能量，抑制SMPS變壓器上的振鈴。
5. 輸出級：次級側有一個12V的單輸出，通過肖特基二極管（D21）耦合輸出功率。電容（C22、C23和C23A）提供能量緩沖，隨后的L - C濾波器（L21 - C24）可降低輸出紋波，顯著減少SMPS開關頻率和線頻率之間的干擾。存儲電容（C22、C23和C23A）設計為具有盡可能低的內部電阻（ESR），以最小化三角電流引起的輸出電壓紋波。
6. 反饋回路：輸出通過分壓器（R26和R25）進行采樣，與IC21（TL431）內部參考電壓進行比較。電容和電阻（C25、C26和R24）構成補償網絡。IC21（TL431）的輸出電壓通過光耦合器IC12和兩個電阻（R22和R23）轉換為電流信號，用于調節控制。
7. 有源突發模式（ABM）：ABM的進入和退出功率有三種選擇，本參考板設置為選項3。在輕載條件下，SMPS進入ABM運行，此時控制器始終處于活動狀態，但保持VVCC高于關斷閾值。在ABM期間，效率顯著提高，同時支持Vout上的低紋波和負載突變時的快速響應。進入ABM運行需要滿足兩個條件：FB電壓必須低于VFBB_EBXP閾值；需要一定的消隱時間（tFB_BEB = 36ms）。

保護功能

測試結果

效率、調節和輸出紋波

在不同輸入電壓和負載條件下，參考板的效率表現良好。例如，在115VAC、60Hz輸入，25% - 100%負載范圍內，平均效率達到87.07%；在230VAC、50Hz輸入時，平均效率為87.75%。輸出電壓調節穩定，輸出紋波電壓在不同負載和輸入電壓下也能滿足設計要求。

待機功率

在無負載情況下，不同交流輸入電壓下的待機功率較低，如在300VAC輸入時，無負載功率消耗小于100mW。

線路調節和負載調節

線路調節和負載調節性能良好，能夠在不同輸入電壓和輸出功率變化時，保持輸出電壓的穩定。

最大輸入功率

在過載保護前，不同交流輸入電壓下的最大輸入功率也有相應的測試結果，為系統的設計和應用提供了參考。

浪涌抗擾度和傳導發射

參考板通過了EN 61000 - 4 - 5浪涌抗擾度測試，符合安裝類別4的要求。在傳導發射測試中，通過了EN 55022（CISPR 22）Class - B標準，115VAC輸入時有8dB余量，230VAC輸入時有6dB余量。

熱測量

在環境溫度為25°C、滿載運行一小時后，使用紅外熱成像相機（FLIRT62101）對參考板進行熱測量。主要組件的溫度在不同輸入電壓下都處于合理范圍內，如IC11（ICE5AR0680BZS - 1）在85VAC輸入時溫度為85.3°C，在300VAC輸入時為82.2°C。

總結

這款44W、12V SMPS參考板基于CoolSET? ICE5AR0680BZS - 1開關控制器，在效率、保護功能、電磁兼容性等方面都有著出色的表現。其豐富的功能和良好的測試結果，為電源設計工程師提供了一個優秀的參考方案，無論是在白色家電、PC、服務器、電視的輔助電源，還是游戲機的封閉式適配器等應用中，都具有很大的應用潛力。各位工程師在實際設計中，可以根據具體需求對電路進行優化和調整，以實現更好的性能。你在使用類似參考板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享。