300 mA非隔離超高壓降壓評估板：CoolSET? ICE5BR3995BZ - 1的卓越表現

在電子電源設計領域，高效、可靠且低成本的電源解決方案一直是工程師們追求的目標。今天，我們就來深入探討一款采用英飛凌CoolSET? 第五代固定頻率增強型開關控制器的18 V/300 mA非隔離超高壓降壓評估板——EVAL_5BR3995BZ - 1_BUCK1。

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一、評估板概述

這款評估板專為評估CoolSET? ICE5BR3995BZ - 1開關控制器的性能及其易用性而設計。它適用于白色家電、個人電腦、服務器和電視的輔助電源，或者游戲機、智能電表等的封閉式適配器。集成的CoolMOS? 950 V SJ MOSFET大大簡化了PCB的設計和布局，新改進的數字頻率降低和頻率抖動功能可降低電磁干擾（EMI）并提高效率，增強的主動突發模式（ABM）電源則為待機電源操作范圍的選擇提供了靈活性。

二、評估板規格

輸入規格

• 電壓范圍：85 - 460 VAC（兩線制，無PE）
• 頻率范圍：47 - 63 Hz，典型值為50/60 Hz

輸出規格

• 輸出電壓：18 V
• 輸出電流：0.3 A
• 輸出功率：5.4 W
• 輸出電壓精度：小于±5%
• 過流保護：小于額定電流的150%
• 紋波和噪聲電壓：小于1%（20 MHz帶寬）

環境規格

• 傳導EMI：符合CISPR22 Class B標準，余量為6 dB
• 浪涌抗擾度：差模（DM）±1 kV（EN 61000 - 4 - 5）
• 環境溫度范圍：-20 - 50℃（自由對流，海平面）
• PCB尺寸：70x35×23 mm（LxWxH）

三、電路詳細解析

1. 線路輸入

交流線路輸入階段包括輸入保險絲（F1）、整流二極管（D1和D5）、電容器（C8、C3和C9）以及電感器（L1）。輸入保險絲可作為過流保護，并限制整流器的浪涌電流；X電容（C8）和電感器（L1）作為EMI抑制器；大容量電容器（C3和C9）串聯保持整流后的直流電壓（120 - 650 V DC）。

2. 啟動

CoolSET? ICE5BR3995BZ - 1開關控制器采用共源共柵結構快速充電VCC電容器。連接到GATE引腳（引腳4）的上拉電阻（R1A和R1B）用于啟動階段。當Vcc達到導通電壓閾值（16 V）時，IC開始軟啟動，軟啟動時間預設為12 ms，分四個步驟。

3. 集成MOSFET和PWM控制

該控制器集成了功率MOSFET和控制器，簡化了電路布局并降低了PCB制造成本。ICE5BR3995BZ - 1位于轉換器的高端，在續流二極管（D4）的陰極處有浮動接地，因此僅在續流二極管導通期間感測輸出電壓。

4. 輸出階段

最大輸出電壓紋波由輸出電容和輸出電容器的等效串聯電阻（ESR）決定。選擇低ESR電容器有助于降低紋波，假負載電阻（R9）有助于在輕載條件下調節輸出電壓。

5. 反饋控制

ICE5BR3995BZ - 1集成了跨導放大器用于反饋控制。輸出由分壓器（R5和R6）感測，并與VERR引腳處的內部參考電壓進行比較。建議在FB引腳處使用外部補償網絡（C4、C5和R3）來控制輸出電壓。

6. 初級側峰值電流控制

通過外部電阻（R7和R8）感測MOSFET漏源電流。ICE5BR3995BZ - 1是一種電流模式控制器，具有逐周期初級電流和FB電壓控制，確保在每個開關周期內控制轉換器的最大功率。為避免MOSFET導通瞬態電壓尖峰引起的誤觸發，在電流感測（CS）路徑中集成了前沿消隱（LEB）時間。

7. 頻率降低

在輕載時，ICE5BR3995BZ - 1實現頻率降低以提高效率。輕載條件下，降低的開關頻率（Fsw）通過減少開關損耗來提高效率。當負載減小時，VFB相應降低，Fsw也隨之降低。在輕載和中載之間實現頻率降低，以獲得更好的效率。

8. 主動突發模式（ABM）

ICE5BR3995BZ - 1可以選擇ABM進入和退出功率水平（兩個級別），本評估板使用ABM功率級別1。

9. 保護功能

ICE5BR3995BZ - 1提供全面的保護功能，包括VCC過壓、VCC欠壓、過載、過溫（控制器結溫）和VCC對地短路等故障保護。當檢測到故障時，系統進入保護模式，故障排除后，系統恢復正常運行。

四、測試結果分析

1. 效率

不同輸入電壓和負載百分比下的效率測試結果表明，評估板在不同工況下都能保持較高的效率。例如，在85 VAC/60 Hz輸入、25%負載時，效率可達74.35%；平均效率在70% - 72%左右。

2. 待機功率

待機功率測試結果顯示，隨著輸入電壓的增加，待機功率略有上升，但整體處于較低水平。

3. 線路調整率和負載調整率

在滿載條件下，線路調整率和負載調整率都表現良好，輸出電壓的變化在可接受范圍內。

4. 浪涌抗擾度和傳導發射

評估板通過了EN 61000 - 4 - 5安裝類別3（差模±1 kV）的浪涌抗擾度測試，傳導發射符合EN 55022 Class B標準，在低線（115 V AC）和高線（230 V AC）測試中均有一定的余量。

5. 熱測量

熱測量結果顯示，在不同輸入電壓下，評估板上的主要組件溫度在合理范圍內。例如，在85 VAC輸入時，IC1（ICE5BR3995BZ - 1）的溫度為51.7℃；在460 VAC輸入時，溫度為69.8℃。

五、設計示例

設計示例A

在這個設計示例中，板上串聯了兩個線性穩壓器。主輸出仍為18 V，通過IC2從主輸出獲得能夠提供高達200 mA的15 V輸出，通過IC3從15 V輸出獲得能夠提供高達100 mA的5 V輸出。但由于LDO電路會帶來額外的功率損耗，整體效率有所降低。

設計示例B

設計示例B展示了一個采用ICE5BR3995BZ - 1的通用輸入電壓降壓轉換器，單輸出為+15 V/550 mA。通過對EVAL_5BR3995BZ - 1_BUCK1板進行簡單修改即可實現。測試結果表明，該設計在不同輸入電壓和負載條件下都能保持較高的效率，平均效率不低于80%。

六、總結

英飛凌的CoolSET? ICE5BR3995BZ - 1開關控制器在這款300 mA非隔離超高壓降壓評估板中展現出了卓越的性能。它不僅提供了豐富的功能和全面的保護特性，還在效率、待機功率、抗干擾等方面表現出色。無論是對于白色家電、個人電腦、服務器等輔助電源的設計，還是其他低功耗應用，這款評估板都為工程師們提供了一個可靠、高效且易于實現的解決方案。

各位工程師朋友們，在實際設計中，你們是否也遇到過類似的電源設計挑戰？對于這款評估板的應用，你們有什么獨特的見解或經驗分享呢？歡迎在評論區留言討論！