20W 5V SMPS評估板：準諧振CoolSET? ICE2QR2280G - 1的魅力展現

在電子工程師的日常工作中，開關電源（SMPS）的設計是一個重要且富有挑戰性的領域。今天，我們就來深入探討一下英飛凌（Infineon）的20W 5V SMPS評估板，它采用了準諧振CoolSET? ICE2QR2280G - 1，為我們帶來了高效、低待機功耗和可靠的電源解決方案。

文件下載：EVAL2QR2280G1TOBO1.pdf

評估板概述

這個評估板主要是為了評估ICE2QR2280G - 1的性能而設計的。它適用于多種小功率電源應用，如藍光播放器、DVD播放器、機頂盒、游戲機、智能電表、充電器以及LED電視等大功率系統的輔助電源。該評估板文檔包含了特性列表、電源規格、原理圖、物料清單和變壓器構造文檔等內容，還在報告末尾展示了典型的工作特性，如性能曲線和示波器波形。

評估板規格

輸入輸出參數

• 輸入電壓：85VAC ~ 265VAC，具有很寬的輸入電壓范圍，適應不同的電源環境。
• 輸入頻率：50 ~ 60Hz，能兼容常見的電源頻率。
• 輸出電壓、電流和功率：5V，4A，20W，滿足一般小功率設備的供電需求。
• 滿載和最小輸入交流電壓下的最小開關頻率：65kHz。
• 空載功耗：< 50mW，體現了其低功耗的特性。
• 有源模式四點平均效率（25%、50%、75%和100%負載）：在115VAC和230VAC下均 > 80%，效率表現出色。

ICE2QR2280G - 1的特性

強大的硬件集成

• 800V雪崩耐用CoolMOS?：內置啟動單元，簡化了電路設計，減少了外部元件的使用。

  高效的工作模式

• 準諧振操作：能在極低負載下保持準諧振運行，降低開關損耗，提高轉換效率。
• 有源突發模式操作：實現低待機輸入功率（< 0.1W），進一步降低功耗。
• 數字頻率降低：隨著負載的降低，數字頻率相應降低，減少開關損耗。

  可靠的保護機制

• 內置數字軟啟動：避免啟動時的電流沖擊，保護電路元件。
• 折返點校正、逐周期峰值電流限制和最大導通時間限制：確保電路在各種工況下的穩定運行。
• 自動重啟模式：用于VCC過壓保護、欠壓保護、過載保護和過溫保護，提高系統的可靠性。
• 鎖存關閉模式：用于可調輸出過壓保護和變壓器短路繞組保護，增強系統的安全性。
• 較低的VCC關斷閾值：能更靈敏地響應異常情況。

電路詳細解析

市電輸入整流和濾波

交流輸入側有輸入保險絲F1作為過流保護。X2電容C1和扼流圈L1構成主濾波器，減少射頻干擾（RFI）反饋到主電源。經過橋式整流器BR1和濾波電容C2后，根據市電輸入電壓提供70V至380VDC的電壓。

集成MOSFET和PWM控制

ICE2QR2280G - 1集成了功率MOSFET和準諧振控制器，大大簡化了電路布局，降低了PCB制造成本。PWM的開啟由過零輸入信號和上下計數器的值決定，關閉由反饋信號VFB和電流傳感信號VCS決定。同時，它還具備反激式轉換器所需的所有保護功能。

輸出級

在次級側，通過肖特基二極管D21輸出5V電壓。電容C21和C22提供能量緩沖，L - C濾波器L21和C23減少輸出紋波，防止開關電源開關頻率和市電頻率之間的干擾。存儲電容C21和C22的內部電阻（ESR）設計得盡可能小，以減少三角電流引起的輸出電壓紋波。

反饋回路

輸出電壓通過Rc1和Rc3組成的分壓器進行采樣，并與TL431的內部參考電壓進行比較。Cc1、Cc2和Rc4構成補償網絡。TL431的輸出電壓通過光耦合器IC2和兩個電阻Rc5和Rc6轉換為電流信號，用于調節控制。

電路工作模式

啟動操作

ICE2QR2280G - 1內置啟動單元，無需外部啟動電阻，顯著提高了待機性能。當VCC達到開啟電壓閾值18V時，IC開始軟啟動。軟啟動是基于數字時間的功能，預設軟啟動時間為12ms，分4步進行。如果不受其他功能限制，CS引腳的峰值電壓將從0.32V逐步增加到1V。IC開啟后，VCC電壓由變壓器的輔助繞組提供。

正常模式操作

啟動后，次級輸出電壓建立。采用TL431和光耦合器進行次級調節控制。補償網絡Cc1、Cc2和Rc4構成TL431誤差放大器的外部電路，能根據動態變化的負載條件精確控制反饋，提供穩定的控制。

初級側峰值電流控制

通過外部電阻R4和R4A感測MOSFET的漏源電流。由于ICE2QR2280G - 1是電流模式控制器，它能進行逐周期的初級電流和反饋電壓控制，確保在每個開關周期內控制轉換器的最大功率。

數字頻率降低

在正常運行期間，ICE2QR2280G - 1的開關頻率會隨著負載的降低而數字式降低。在輕負載時，MOSFET不會在第一個最小漏源電壓時刻開啟，而是在第n個時刻開啟。計數器范圍為1到7，取決于基于時間的反饋電壓。反饋電壓隨輸出功率需求的降低而降低，反之亦然。因此，通過監測電壓VFB來設置計數器，低VFB時計數器增加，高VFB時計數器減少，閾值在IC內部預設。

突發模式操作

在輕負載條件下，開關電源進入有源突發模式。此時，控制器始終處于活動狀態，但VCC必須保持在關斷閾值以上。在有源突發模式下，效率顯著提高，同時支持輸出電壓Vout的低紋波和負載突變時的快速響應。進入有源突發模式需要滿足三個條件：反饋電壓低于VFBEB（1.25V），上下計數器為7，以及一定的消隱時間tBEB。一旦滿足這些條件，有源突發模式觸發器置位，控制器進入有源突發模式操作。在有源突發模式下，最大電流感測電壓從1V降低到0.34V，以減少傳導損耗和可聽噪聲。

保護特性

VCC過壓和欠壓保護

在正常運行期間，持續監測VCC電壓。當VCC電壓低于欠壓鎖定水平（Vcc, off）或升高到VCC, OWP時，IC將進入自動重啟模式。

折返點保護

對于準諧振反激式轉換器，在所有市電輸入電壓范圍內使用恒定電流限制值會增加最大可能輸出功率，這通常是不希望的，因為在輸出過功率情況下會增加變壓器和輸出二極管的成本。內部折返保護根據母線電壓調整VCS電壓限制，通過在MOSFET導通期間感測從ZC引腳流出的電流來實現。結果是，在高輸入電壓下最大電流限制降低，最大輸出功率相對于輸入電壓得到很好的限制。

開環/過載保護

在控制環路開路的情況下，反饋電壓會被內部拉高。經過30ms的固定消隱時間后，IC進入自動重啟模式。在次級短路或過載的情況下，調節電壓VFB也會被拉高，同樣應用保護，IC將自動重啟。

可調輸出過壓保護

在功率開關關斷期間，監測過零引腳ZC的電壓以檢測輸出過壓。如果電壓在預設的100μs內高于預設閾值3.7V，IC將被鎖存關閉。

短路繞組保護

通過兩個并聯的分流電阻R4和R4A感測MOSFET的源極電流。如果在功率開關導通期間電流傳感引腳的電壓高于預設閾值Vcssw（1.68V），IC將被鎖存關閉。為避免意外鎖存關閉，內部比較器的輸出集成了190ns的尖峰消隱時間。

過溫保護自動重啟

IC內置過溫保護功能。當控制器溫度達到140°C時，IC將關閉開關并進入自動重啟模式，保護功率MOSFET免受過熱損壞。

測試結果

效率、調節和輸出紋波

測試結果顯示，在不同的輸入電壓和負載條件下，評估板都能保持較高的效率。例如，在115VAC和230VAC輸入電壓下，有源模式四點平均效率均 > 80%。同時，輸出電壓穩定在5V左右，輸出紋波也得到了很好的控制。

待機功率

在空載情況下，待機功率隨交流輸入電壓的變化曲線顯示，待機功率較低，滿足節能要求。

英飛凌的20W 5V SMPS評估板采用準諧振CoolSET? ICE2QR2280G - 1，憑借其高效、低待機功耗和豐富的保護功能，為電子工程師提供了一個優秀的電源解決方案。在實際應用中，我們可以根據具體需求對電路進行優化和調整，以滿足不同設備的供電要求。大家在設計類似電源時，不妨考慮一下這款評估板的設計思路和特點，說不定能為你的項目帶來新的啟發。你在電源設計中遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。