27W、12V和5V SMPS參考板：CoolSET? ICE5QR1680BG-1的卓越表現(xiàn)

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能優(yōu)異且可靠的開(kāi)關(guān)電源（SMPS）對(duì)于各類電子設(shè)備至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下由英飛凌CoolSET? 5th Generation Quasi-Resonant (QR) Plus ICE5QR1680BG-1打造的27W、12V和5V SMPS參考板REF_5QR1680BG-1_27W1。

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一、產(chǎn)品概述

這款參考板采用準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，旨在評(píng)估ICE5QR1680BG-1的性能及易用性，適用于白色家電、PC、服務(wù)器、電視的輔助電源，以及游戲機(jī)的封閉式適配器等應(yīng)用場(chǎng)景。其目標(biāo)用戶包括電源設(shè)計(jì)/應(yīng)用工程師、學(xué)生等希望設(shè)計(jì)低成本、高可靠性離線SMPS的人群。

二、CoolSET? 優(yōu)勢(shì)

CoolSET?家族的AC-DC集成功率級(jí)采用準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)方案，具備更強(qiáng)的魯棒性和出色的性能。它能提供卓越的能源效率、全面的保護(hù)功能并降低系統(tǒng)成本，非常適合多種潛在應(yīng)用中的輔助電源應(yīng)用，如家用電器、服務(wù)器和電信領(lǐng)域。

三、參考板規(guī)格

輸入輸出參數(shù)

• 輸入電壓和頻率：支持85VAC(60Hz)~300V AC (50Hz)的寬范圍輸入，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 輸出電壓、電流和功率：提供(12Vx2.17A)+(5Vx0.2 A)=27W的雙路輸出，滿足多樣化的用電需求。
• 穩(wěn)壓精度：+5V輸出穩(wěn)壓精度< +5%，+12V輸出穩(wěn)壓精度< +10%，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 輸出紋波電壓：在滿載且輸入電壓為85VAC~300VAC時(shí)，5V輸出紋波峰峰值<100mV，12V輸出紋波峰峰值< 200mV，有效降低對(duì)負(fù)載設(shè)備的干擾。

效率與功耗

• 有源模式四點(diǎn)平均效率：在115VAC和230VAC輸入時(shí)，效率均>83%，展現(xiàn)了出色的能源轉(zhuǎn)換效率。
• 空載功耗：在230VAC輸入時(shí)，空載功耗<100mW，符合節(jié)能要求。

電磁兼容性與抗干擾能力

• 傳導(dǎo)發(fā)射：通過(guò)EN 55022 Class B標(biāo)準(zhǔn)，在115VAC輸入時(shí)有10dB余量，230VAC輸入時(shí)有6dB余量，有效減少電磁干擾。
• ESD抗擾度：達(dá)到特殊等級(jí)（接觸放電±14kV，空氣放電±14kV），增強(qiáng)了設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定性。
• 浪涌抗擾度：符合EN61000 - 4 - 5安裝等級(jí)4（線間±2 kV，線對(duì)地±4 kV），能有效應(yīng)對(duì)浪涌沖擊。

四、電路設(shè)計(jì)

1. 線路輸入部分

AC線路輸入側(cè)配備輸入保險(xiǎn)絲F1作為過(guò)流保護(hù)，扼流圈L1、X電容（CX1和CX2）和Y電容CY1作為EMI抑制器?；鸹ㄩg隙和壓敏電阻Z1可吸收雷電浪涌測(cè)試期間的高壓應(yīng)力，通過(guò)橋式整流器BR1和大容量電容C1獲得120~424 V DC的整流電壓。

2. 啟動(dòng)部分

ICE5QR1680BG-1采用啟動(dòng)電阻和VCC - 至 - GND短路保護(hù)，實(shí)現(xiàn)快速安全啟動(dòng)。當(dāng)VICC達(dá)到開(kāi)啟電壓閾值（16 V）時(shí)，IC開(kāi)始軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)是基于數(shù)字時(shí)間的功能，預(yù)設(shè)軟啟動(dòng)時(shí)間為12 ms，分四個(gè)步驟進(jìn)行。IC開(kāi)啟后，VCC電壓由變壓器的輔助繞組提供，且在啟動(dòng)期間具備VCC短接到地的短路保護(hù)。

3. 集成CoolMOS? MOSFET和PWM控制

該芯片集成了功率MOSFET和專有的新型QR控制器，可提高平均效率并降低EMI，同時(shí)簡(jiǎn)化電路布局，降低PCB制造成本。PWM的開(kāi)啟由過(guò)零檢測(cè)輸入信號(hào)和上下計(jì)數(shù)器的值決定，關(guān)閉由反饋信號(hào)VFB和電流檢測(cè)信號(hào)VCS決定，還能執(zhí)行反激式轉(zhuǎn)換器所需的所有保護(hù)功能。

4. RCD鉗位電路

由R4、C2和D1組成的鉗位網(wǎng)絡(luò)可耗散漏電感的能量，抑制SMPS變壓器上的振鈴。

5. 輸出級(jí)

二次側(cè)有12V和5V兩個(gè)輸出，功率通過(guò)肖特基二極管（D5和D6）耦合輸出。電容（C9A和C10A）提供能量緩沖，隨后的L - C濾波器（L2 - C9B、C9C和L3 - C10B）可降低輸出紋波，防止SMPS開(kāi)關(guān)頻率和線路頻率之間的干擾。存儲(chǔ)電容設(shè)計(jì)為具有盡可能小的內(nèi)部電阻（ESR），以最小化由三角電流引起的輸出電壓紋波。

6. 反饋回路

輸出電壓通過(guò)分壓器（R16、R17、R21A和R21B）進(jìn)行檢測(cè)，并與IC3（TL431）的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。C11、C14和R18組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，IC3（TL431）的輸出電壓通過(guò)光耦（IC2）和兩個(gè)電阻（R19和R20）轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，用于調(diào)節(jié)控制。

7. 初級(jí)側(cè)峰值電流控制

通過(guò)外部電阻（R8A和R8B）檢測(cè)MOSFET的漏源電流。由于ICE5QR1680BG-1是電流模式控制器，它能實(shí)現(xiàn)逐周期的初級(jí)電流和反饋電壓控制，確保在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)控制轉(zhuǎn)換器的最大功率。同時(shí)，內(nèi)部電流限制結(jié)合線相關(guān)的VCS曲線和新的專有QR開(kāi)關(guān)，可減少最小和最大線路之間的開(kāi)關(guān)頻率差異，從而根據(jù)輸入電壓限制最大輸出功率。

8. 數(shù)字頻率降低

在正常運(yùn)行期間，ICE5QR1680BG-1的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨著負(fù)載的降低而數(shù)字式降低。在輕載條件下，MOSFET不會(huì)在第一次漏源電壓最小值時(shí)開(kāi)啟，而是在第n次開(kāi)啟。計(jì)數(shù)器范圍在低線時(shí)為1到8，高線時(shí)為3到10，具體取決于基于時(shí)間的反饋電壓。當(dāng)輸出功率需求降低時(shí)，反饋電壓降低，計(jì)數(shù)器增加；反之亦然。

9. 主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）

ICE5QR1680BG-1可選擇ABM進(jìn)入和退出功率（兩個(gè)級(jí)別）。在輕載條件下，SMPS進(jìn)入具有QR開(kāi)關(guān)的ABM模式。在此階段，控制器始終處于活動(dòng)狀態(tài)，但Vucc必須保持在關(guān)斷閾值以上。在ABM期間，效率顯著提高，支持Vout上的低紋波和負(fù)載突變時(shí)的快速響應(yīng)。進(jìn)入ABM操作需要滿足三個(gè)條件：反饋電壓低于VFBEB閾值；上下計(jì)數(shù)器在低線時(shí)為8，高線時(shí)為10；需要一定的消隱時(shí)間（tBEB = 20 ms）。進(jìn)入ABM后，最大CS電壓從1 V降低到0.31/0.35 V，以減少傳導(dǎo)損耗和可聽(tīng)噪聲。當(dāng)輸出負(fù)載突然增加時(shí)，反饋電壓會(huì)立即增加，離開(kāi)ABM后，可提供最大電流以穩(wěn)定Vout，同時(shí)上下計(jì)數(shù)器會(huì)立即設(shè)置為“1”（低線）或“3”（高線），有助于減少輸出電壓下沖。

五、保護(hù)功能

六、PCB布局

1. 總體原則

• 采用星形接地，將所有初級(jí)接地分別連接到大容量電容C1的接地端，有效減少開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入CoolSET?設(shè)備的敏感引腳。初級(jí)星形接地可分為四組：信號(hào)（連接到CoolSET? GND引腳的所有小信號(hào)接地，如濾波電容C6、C7、C8和光耦接地）和功率接地（CS電阻R8A和R8B）；VCC接地包括VCC電容接地（C3）和電源變壓器的輔助繞組接地（引腳3）；EMI返回接地包括Y電容（CY1）和橋式整流器（BR1）的直流接地。
• 濾波電容應(yīng)靠近控制器接地和控制器引腳放置，以減少耦合到控制器的開(kāi)關(guān)噪聲。
• 高壓走線應(yīng)保持足夠的間距，避免電弧產(chǎn)生。例如，400 V走線（大容量電容C1的正母線）與附近走線的間距>2.0 mm，600 V走線（CoolSET? IC1的漏極電壓）與附近走線的間距>2.5 mm。
• 為了獲得更好的熱性能，在PCB的漏極引腳處應(yīng)添加最小232 mm2的銅面積。
• 為了最小化開(kāi)關(guān)輻射，應(yīng)盡量減小功率回路面積（大容量電容C1）、變壓器TR1的初級(jí)繞組（引腳7和5）、IC1漏極引腳和IC1 CS引腳（CS電阻R8A/R8B）。

2. 具體層面布局

• 頂層：展示了各種元件的布局。
• 底層：呈現(xiàn)了銅層和元件的布局情況。

七、變壓器結(jié)構(gòu)

八、測(cè)試結(jié)果

1. 效率、穩(wěn)壓和輸出紋波

在不同輸入電壓和負(fù)載條件下，對(duì)參考板的效率、輸出電壓、輸出電流、輸出紋波和功率進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，其在各種工況下都能保持較高的效率和穩(wěn)定的輸出電壓與紋波。

2. 待機(jī)功率

通過(guò)Yokogawa WT210功率計(jì)在積分模式下測(cè)量，展示了無(wú)負(fù)載和30 mW負(fù)載時(shí)待機(jī)功率與交流輸入電壓的關(guān)系。

3. 線路穩(wěn)壓

測(cè)試了滿載時(shí)輸出電壓與交流輸入電壓的關(guān)系，結(jié)果表明參考板在不同輸入電壓下能較好地保持輸出電壓穩(wěn)定。

4. 負(fù)載穩(wěn)壓

測(cè)試了輸出電壓與輸出功率的關(guān)系，顯示出在不同負(fù)載下輸出電壓的穩(wěn)定性。

5. 最大輸入功率

測(cè)試了過(guò)載保護(hù)前的最大輸入功率與交流輸入電壓的關(guān)系，為實(shí)際應(yīng)用中的功率設(shè)計(jì)提供了參考。

6. ESD抗擾度

通過(guò)EN 61000 - 4 - 2特殊等級(jí)（接觸放電±14 kV，空氣放電±16 kV），表明其具有良好的靜電抗干擾能力。

7. 浪涌抗擾度

通過(guò)EN 61000 - 4 - 5安裝等級(jí)4（線間±2 kV，線對(duì)地±4 kV），能有效應(yīng)對(duì)浪涌沖擊。

8. 傳導(dǎo)發(fā)射

通過(guò)EN 55022 (CISPR 22) Class B標(biāo)準(zhǔn)，在115VAC輸入時(shí)準(zhǔn)峰值測(cè)量有10 dB余量，230VAC輸入時(shí)有6 dB余量，有效減少電磁干擾。

9. 熱測(cè)量

在環(huán)境溫度為25°C的條件下，使用紅外熱成像相機(jī)（FLIRT420）對(duì)開(kāi)放式參考板進(jìn)行熱測(cè)試。在滿載運(yùn)行一小時(shí)后進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示主要元件（如變壓器、二次二極管、IC等）的溫度在合理范圍內(nèi)，確保了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

九、波形與示波器圖

使用TELEDYNELECROY 606Zi示波器記錄了各種工況下的波形，包括低/高交流輸入電壓下最大負(fù)載啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、最大負(fù)載時(shí)的漏極和CS電壓、正常運(yùn)行時(shí)的過(guò)零點(diǎn)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、最大負(fù)載和ABM 1W負(fù)載時(shí)的輸出紋波電壓、進(jìn)入和離開(kāi)ABM模式等情況，為工程師分析電路性能提供了直觀的依據(jù)。

綜上所述，REF_5QR1680BG-1_27W1參考板憑借其高性能、高可靠性和全面的保護(hù)功能，為電源設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是在效率、穩(wěn)定性還是抗干擾能力方面，都展現(xiàn)出了卓越的表現(xiàn)。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否會(huì)考慮采用這樣的參考板呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的想法。