15W輔助開關(guān)電源設(shè)計：CoolSET? ICE5AR4770AG-1的應(yīng)用與實踐
15W輔助開關(guān)電源設(shè)計：CoolSET? ICE5AR4770AG-1的應(yīng)用與實踐
在電子設(shè)備的設(shè)計中，輔助開關(guān)電源（SMPS）的性能至關(guān)重要，它直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)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(shè)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(guī)格、原理圖、物料清單、PCB布局和性能數(shù)據(jù)等內(nèi)容，適用于希望為主要家用電器設(shè)計高效、可靠且易于設(shè)計的輔助電源的工程師和學(xué)生。
二、關(guān)鍵特性與應(yīng)用場景
2.1 CoolSET? 系列優(yōu)勢
英飛凌的CoolSET? AC-DC集成功率級采用固定頻率開關(guān)方案，具有更高的穩(wěn)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(tǒng)成本，非常適合各種潛在應(yīng)用中的輔助電源供應(yīng)，如開關(guān)電源、家用電器、服務(wù)器和電信設(shè)備等。
2.2 ICE5AR4770AG-1 的應(yīng)用場景
ICE5AR4770AG-1的目標應(yīng)用包括白色家電、PC、服務(wù)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(shè)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(fā)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(xiàn)了眾多可調(diào)保護功能，可保護系統(tǒng)并根據(jù)所選應(yīng)用進行定制。
三、參考板設(shè)計
3.1 規(guī)格參數(shù)
| 參考板設(shè)計具有通用輸入，適用于大多數(shù)地理區(qū)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(shù)家用電器中常見的配置。具體規(guī)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(huán)境 | 裕度，CISPR 22 Class EN 61000-4-2 EN61000-4-5 | ||||||
| 傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)通電壓閾值16V時，IC開始軟啟動。軟啟動是一個基于數(shù)字時間的功能，預(yù)設(shè)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(dǎo)通后，VCC電壓由變壓器的輔助繞組提供，并在啟動期間實現(xiàn)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(xiàn)了有源突發(fā)模式（ABM）以實現(xiàn)極低的待機輸入功率。PWM導(dǎo)通與內(nèi)部振蕩器同步，PWM關(guān)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(zhí)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(jié)）、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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)使用TL431 IC21反饋電路監(jiān)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(guān)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(shù)量，為實際設(shè)計和生產(chǎn)提供了明確的指導(dǎo)。
3.5 變壓器構(gòu)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(shù)、線徑和電氣規(guī)格等信息。
四、測試結(jié)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(jié)果表明，在滿載時平均效率可達77% - 79%左右，具體數(shù)據(jù)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(jié)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(diào)節(jié)
報告給出了線路和負載調(diào)節(jié)的測試結(jié)果和相關(guān)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(wěn)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(yīng)用提供了重要參考。
4.5 ESD抗擾度（EN61000-4-2）
系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(jié)果為通過，證明了電源
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