14W、15V 和 5V SMPS 參考板：CoolSET? ICE5AR3995BZ - 1 的卓越表現

在電源設計領域，高效、可靠且成本效益高的開關電源（SMPS）一直是工程師們追求的目標。今天，我們將深入探討一款采用英飛凌 CoolSET? 第五代固定頻率增強型 ICE5AR3995BZ - 1 開關控制器的 14W、15V 和 5V 非隔離反激式轉換器參考板，看看它能為我們帶來哪些驚喜。

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一、參考板概述

這款參考板專為評估 CoolSET? ICE5AR3995BZ - 1 開關控制器的性能而設計，旨在實現優化的效率、熱性能和電磁干擾（EMI）抑制。它采用固定頻率非隔離反激式轉換器拓撲，并帶有初級側反饋（FB），工作在不連續導通模式（DCM），固定開關頻率為 100kHz。其目標應用廣泛，包括白色家電、PC、服務器和電視的輔助電源，以及游戲機的封閉式適配器等。

1.1 規格參數

參考板具有以下主要規格參數：

• 輸入：電壓范圍為 85 - 300VAC，頻率范圍為 47 - 64Hz，230VAC 時無負載輸入功率最大為 100mW。
• 輸出：有 +15V 和 +5V 兩個輸出，+15V 輸出電流最大為 830mA，+5V 輸出電流最大為 400mA，輸出功率標稱值為 14.45W。
• 效率：在 115VAC/230VAC 時平均效率為 83%。
• 環境特性：傳導 EMI 余量符合 CISPR 22 Class - B 標準，差模浪涌抗擾度為 ±2kV（EN61000 - 4 - 5）。
• 尺寸：PCB 尺寸為 110x66x27mm（LxWxH）。

需要注意的是，該參考板設計為雙輸出且帶有交叉調節環路 FB，如果僅對單輸出加載，可能無法正常調節。若要評估單輸出條件（如僅 15V），需要對電路板進行相應更改。

二、電路詳細解析

2.1 輸入濾波

交流輸入側包含輸入保險絲（F1）用于過流保護，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）可吸收雷擊浪涌測試期間的高電壓應力。通過橋式整流器（BR1）和大容量電容（C1）可獲得整流后的直流電壓。

2.2 啟動

為實現快速安全啟動，ICE5AR3995BZ - 1 開關控制器采用高電阻啟動電阻和 $V{CC}$ 對地短路保護。當 $V{CC}$ 達到開啟電壓閾值 $V{CC_ON}$ 時，IC 開始軟啟動。軟啟動是基于數字時間的功能，預設軟啟動時間約為 12ms，分四個步驟。IC 開啟后，$V{CC}$ 電壓由變壓器的輔助繞組提供，并且在啟動期間實現了 $V_{CC}$ 對地短路保護。

2.3 集成 CoolMOS? MOSFET 與頻率降低控制

集成的高效 CoolMOS? 超結 MOSFET 和頻率降低控制功能，可在輕載到滿載條件下實現更好的效率。這種集成解決方案大大簡化了電路布局，降低了 PCB 制造成本。該參考板設計為在 DCM 模式下工作，當系統處于最大負載條件時，控制器以 100kHz 的固定頻率開關。為了在輕載和中載之間實現更好的效率，實現了頻率降低功能，其降低曲線如圖 2 所示。當開關頻率降低時，$V{CS}$ 由電流限制閾值或 PWM 運算放大器鉗位。在最大頻率降低后，最小開關頻率為 $f{OSC4_MIN}$（43kHz）。

2.4 頻率抖動

ICE5AR3995BZ - 1 具有頻率抖動功能，可降低 EMI 噪聲。抖動頻率內部設置為 100kHz（±4%），抖動周期為 4ms。

2.5 RCD 鉗位電路

鉗位網絡（R4、C2 和 D1）用于耗散開關電源變壓器上的漏感能量，并抑制振鈴。這是一個耗能電路，因此 R4 和 C2 需要根據電壓降額因子和效率要求進行微調。

2.6 輸出級

該轉換器有 +15V 和 +5V 兩個輸出。功率通過肖特基二極管（D151 和 D101）耦合輸出。電容器（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，并防止開關電源開關頻率和線路頻率之間的干擾。存儲電容器（C152 和 C102）選擇低 ESR 值，以最小化輸出電壓紋波。

2.7 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 ICE5AR3995BZ - 1 開關控制器的內部參考電壓進行比較，該引腳連接到內部集成誤差放大器的輸入。通過連接該引腳，可實現非隔離應用。比較電壓通過 IC 內部集成誤差放大器轉換為電流信號，傳輸到 FB 引腳進行調節控制。

2.8 主動突發模式（ABM）

ICE5AR3995BZ - 1 開關控制器可選擇 ABM 進入和退出功率（三個級別）。在輕載條件下，開關電源進入 ABM 模式。在此階段，控制器始終處于活動狀態，但 $V{CC}$ 必須保持在 $V{CC_OFF}$ 以上。在 ABM 期間，效率顯著提高，同時支持 $V{OUT}$ 上的低紋波和負載突變條件下的快速響應。進入 ABM 需要滿足兩個條件：FB 電壓必須低于閾值 $V{FB_EXP}$，并且必須經過一定的消隱時間（$t{FB_BEB}=36ms$）。一旦滿足這兩個條件，ABM 觸發器置位，控制器進入 ABM 操作。在 ABM 期間，最大 CS 電壓從 $V{CS_N}$ 降低到 $V{CS_BXP}$，以降低傳導損耗和可聽噪聲。在突發模式下，FB 電壓在 $V{FB_Bon_NISO}$ 和 $V{FB_Boff_NISO}$ 之間呈鋸齒狀變化。當輸出負載突然增加時，FB 電壓立即升高，當 FB 電壓超過 $V{FB_LB}$ 時，控制器離開 ABM，PCL 閾值電壓將立即恢復到 $V{CS_N}$ 以穩定 $V{out}$。

三、保護特性

四、測試結果

4.1 效率和調節

通過不同輸入電壓和負載百分比下的測試，得到了輸入功率、輸出電壓、輸出電流、輸出功率、效率等參數。平均效率在 115VAC/230VAC 時達到 83%，顯示了該參考板在不同條件下的高效性能。

4.2 效率曲線

效率曲線直觀地展示了效率與輸出負載之間的關系，有助于工程師了解在不同負載情況下的效率表現。

4.3 待機功率

待機功率與交流輸入電壓的關系曲線顯示了該參考板在待機狀態下的低功耗特性。

4.4 線路調節和負載調節

線路調節曲線展示了滿載時輸出調節與交流輸入電壓的關系，負載調節曲線展示了輸出調節與負載的關系，這些曲線反映了參考板在不同輸入電壓和負載條件下的輸出穩定性。

4.5 最大輸入功率

最大輸入功率和輸出電流（過載保護前）與交流輸入電壓的關系曲線，為工程師提供了在不同輸入電壓下的功率和電流限制信息。

4.6 浪涌抗擾度

該參考板通過了 EN 61000 - 4 - 5 安裝類別 4（線對線 ±2kV）的浪涌抗擾度測試，表明其具有良好的抗浪涌能力。

4.7 傳導發射

傳導發射測試按照 EN 55022（CISPR 22）Class - B 標準進行，在 115V AC 和 230V AC 滿載電阻負載下進行測試，結果顯示該參考板的傳導 EMI 符合標準要求。

4.8 熱測量

在環境溫度為 25°C 的條件下，使用紅外熱成像相機對開放框架參考板進行熱測試。在滿載條件下運行一小時后進行測量，得到了參考板上最熱組件在 85V AC 和 300V AC 時的溫度，為熱設計提供了參考。

五、波形和示波器圖

通過示波器記錄了啟動、軟啟動、滿載時的漏極和 CS 電壓、頻率抖動、輸出紋波電壓、進入和離開 ABM 等不同狀態下的波形，這些波形有助于工程師深入了解參考板的工作過程和性能。

六、總結

這款采用英飛凌 CoolSET? ICE5AR3995BZ - 1 開關控制器的 14W、15V 和 5V SMPS 參考板，憑借其高效的性能、全面的保護功能和良好的 EMI 抑制能力，為電源設計工程師提供了一個優秀的解決方案。無論是在效率、熱性能還是可靠性方面，都表現出色。在實際應用中，工程師可以根據具體需求對參考板進行適當調整和優化，以滿足不同的設計要求。你在使用類似參考板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。