700 mA非隔離高壓降壓評估板：CoolSET? ICE5BR2280BZ - 1的卓越表現(xiàn)

在電子電源設(shè)計領(lǐng)域，非隔離高壓降壓轉(zhuǎn)換器一直是研究的熱點。今天，我們就來深入探討一下使用英飛凌最新的CoolSET? 第五代固定頻率增強型ICE5BR2280BZ - 1開關(guān)控制器的15 V、700 mA非隔離高壓（HV）降壓轉(zhuǎn)換器評估板。

文件下載：Infineon Technologies EVAL_5BR2280BZ-1_700MA 評估板.pdf

一、評估板概述

1.1 適用對象

這份文檔主要面向開關(guān)電源（SMPS）設(shè)計/應(yīng)用工程師、學(xué)生等群體。這些人希望為諸如白色家電輔助電源、智能電表等應(yīng)用設(shè)計低成本的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器。

1.2 CoolSET? 系列優(yōu)勢

英飛凌的CoolSET? 采用固定頻率開關(guān)方案的AC - DC集成功率級，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)用中的輔助電源應(yīng)用，如SMPS、家電、服務(wù)器和電信等領(lǐng)域。

二、評估板規(guī)格

2.1 輸入規(guī)格

輸入電壓范圍為85 - 264 V AC（2線制，無PE線），頻率范圍在47 - 63 Hz，典型值為50/60 Hz。

2.2 輸出規(guī)格

輸出電壓為15 V，輸出電流最大可達0.7 A，輸出功率最大為10.5 W，輸出電壓精度在±5%以內(nèi)，過流保護設(shè)定為額定電流的150%以內(nèi)，紋波和噪聲電壓（20 MHz帶寬）小于1%（使用10 μF電解電容和0.1 μF多層陶瓷電容時）。

2.3 環(huán)境規(guī)格

傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）有6 dB的余量，符合CISPR 22 Class B標準；浪涌抗擾度方面，差模（DM）為±1 kV（符合EN 61000 - 4 - 5標準）；環(huán)境溫度范圍為 - 20 - 50 °C（自由對流，海平面）；PCB尺寸為70 × 35 × 23 mm（長×寬×高）。

三、電路詳細解析

3.1 線路輸入

交流線路輸入級由輸入保險絲（F1）、壓敏電阻（VAR1）、X電容（C1）、整流二極管橋（D1）、電容（C2和C3）和電感（L1）組成。其中，X電容（C1）和π濾波器（C2、L1和C3）起到電磁干擾抑制的作用。

3.2 啟動過程

ICE5BR2280BZ - 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4）的上拉電阻（R1）用于啟動啟動階段。當VCC達到16 V的開啟電壓閾值時，IC開始軟啟動。軟啟動是基于數(shù)字時間的功能，預(yù)設(shè)軟啟動時間為12 ms，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0.3 V逐步增加到0.8 V。IC開啟后，VCC電壓由輸出電壓提供，并且在啟動期間實現(xiàn)了VCC對地短路保護。

3.3 集成MOSFET和PWM控制

ICE5BR2280BZ - 1集成了功率MOSFET和控制器，簡化了電路布局，降低了PCB制造成本。控制器和MOSFET位于轉(zhuǎn)換器的高端，以續(xù)流二極管（D4）的陰極作為浮動地。使用超快速恢復(fù)二極管（D4）允許電感去磁電流通過它，并限制功率MOSFET中的尖峰電流，特別是在降壓轉(zhuǎn)換器以連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）運行時。因此，僅在續(xù)流二極管導(dǎo)通期間感測輸出電壓。

3.4 輸出級

最大輸出電壓紋波由輸出電容和輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）決定。選擇低ESR電容有助于減少紋波。假負載電阻（R9）有助于在輕載條件下調(diào)節(jié)輸出電壓。

3.5 反饋控制

ICE5BR2280BZ - 1開關(guān)控制器集成了一個跨導(dǎo)放大器用于反饋（FB）控制。輸出由分壓器（R4和R5）感測，并與VERR引腳處的內(nèi)部參考電壓進行比較。建議在FB引腳上使用外部補償網(wǎng)絡(luò)（C4、C5和R2）來控制輸出電壓。

3.6 初級側(cè)峰值電流控制

通過外部電阻（R7和R8）感測MOSFET的漏源電流。ICE5BR2280BZ - 1開關(guān)控制器是一種電流模式控制器，具有逐周期的初級電流和FB電壓控制，確保在每個開關(guān)周期內(nèi)控制轉(zhuǎn)換器的最大功率。為避免MOSFET導(dǎo)通瞬態(tài)電壓尖峰引起的誤觸發(fā)，在電流感測（CS）路徑中集成了前沿消隱（LEB）時間（tcs_LEB）。

3.7 頻率降低

在輕載時，ICE5BR2280BZ - 1開關(guān)控制器實現(xiàn)了頻率降低功能，以提高效率。當負載降低時，開關(guān)頻率FSW降低，從而減少開關(guān)損耗。通常，高負載時FSW為65 kHz，當VFB = 1.7 V時開始降低。即使負載進一步降低，一旦達到foscx_MIN，頻率將不再降低。

3.8 主動突發(fā)模式

ICE5BR2280BZ - 1 IC可以選擇ABM進入和退出功率（兩個級別）。本評估板使用ABM功率級別1（R3 = 開路）。

3.9 保護功能

ICE5BR2280BZ - 1開關(guān)控制器提供全面的保護功能，包括VCC過壓（OV）和欠壓（UV）、過載、輸出OV、過溫（控制器結(jié)溫）和VCC對地短路保護。當檢測到這些故障時，系統(tǒng)將進入保護模式。一旦故障消除，系統(tǒng)將恢復(fù)正常運行。為了在自動重啟保護期間保護ICE5BR2280BZ - 1開關(guān)控制器免受過度熱應(yīng)力，使用了一個15 μF的VCC電容（C9）將總自動重啟關(guān)斷時間延長至約2 s。

四、PCB布局

4.1 頂層布局

頂層布局圖展示了銅層和元件的分布情況。

4.2 底層布局

底層布局圖展示了底層銅層的分布。

五、物料清單

文檔中提供了詳細的物料清單，包括電容、電阻、二極管、IC、電感等元件的規(guī)格、制造商和數(shù)量等信息。

六、測試結(jié)果

6.1 效率測試

在不同的輸入電壓（85 V AC/60 Hz、115 V AC/60 Hz、230 V AC/50 Hz、264 V AC/50 Hz）和負載百分比（無負載、25%、50%、75%、100%）下進行了效率測試。結(jié)果顯示，效率在不同條件下有所波動，但整體表現(xiàn)良好。例如，在85 V AC/60 Hz輸入、100%負載時，效率為82.63%。

6.2 待機功率

通過測試不同輸入電壓下的待機功率，發(fā)現(xiàn)泄放電阻R9可以防止無負載時輸出電壓升高。

6.3 線路和負載調(diào)節(jié)

線路和負載調(diào)節(jié)測試結(jié)果展示了評估板在不同輸入電壓和負載條件下的輸出電壓穩(wěn)定性。

6.4 浪涌抗擾度

根據(jù)EN 61000 - 4 - 5標準進行浪涌抗擾度測試，在115/230 V AC、700 mA的條件下，差?！? kV測試通過。

6.5 傳導(dǎo)發(fā)射

傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）測試按照EN 55022（CISPR 22）Class B標準進行，評估板在115 V AC和230 V AC輸入、700 mA負載下，準峰值測量均有6 dB的余量，測試通過。

6.6 熱測量

在環(huán)境溫度為25°C的條件下，使用紅外熱成像相機對評估板進行熱測試。結(jié)果顯示，在85 V AC和264 V AC全負載運行一小時后，主要元件（如D4、L2、IC1）的溫度有所不同。例如，在85 V AC全負載時，D4的溫度為77.5°C。

七、波形和示波器圖

7.1 最大負載啟動

展示了評估板在最大負載下的啟動波形。

7.2 軟啟動

軟啟動波形顯示了IC在啟動過程中的電壓和電流變化情況。

7.3 最大負載時的漏極電壓和漏極電流

展示了MOSFET在最大負載時的漏極電壓和電流波形。

7.4 最大負載時的輸出紋波電壓

輸出紋波電壓波形顯示了評估板在最大負載時的輸出電壓穩(wěn)定性。

7.5 ABM操作

ABM操作波形展示了主動突發(fā)模式下的工作情況。

7.6 過載保護

過載保護波形顯示了在輸出負載從滿載變?yōu)檫^載（輸入85 V AC或264 V AC）時的系統(tǒng)響應(yīng)。

7.7 輸出短路測試

輸出短路測試波形展示了評估板在輸出短路時的保護機制。

八、設(shè)計示例A

8.1 規(guī)格說明

評估板上有一個用于兩個串聯(lián)的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器的元件占位符。IC2調(diào)節(jié)的12 V輸出最大可提供350 mA電流，IC3調(diào)節(jié)的5 V輸出最大可提供200 mA電流。由于12 V輸出和5 V輸出均來自主輸出15 V，因此總輸出電流不應(yīng)超過主輸出電流的最大容量。

8.2 滿載效率

LDO電路會帶來額外的功率損耗，從而降低整體效率。LDO安裝在散熱片上。在不同輸入電壓（85 V AC/60 Hz、115 V AC/60 Hz、230 V AC/50 Hz、264 V AC/50 Hz）下的滿載效率測試結(jié)果顯示，效率在56.44% - 57.33%之間。

九、總結(jié)

英飛凌的CoolSET? ICE5BR2280BZ - 1評估板在非隔離高壓降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計方面表現(xiàn)出色。它具有多種先進的功能和保護機制，能夠在不同的工作條件下提供穩(wěn)定的輸出。通過詳細的測試和分析，我們可以看到其在效率、待機功率、浪涌抗擾度、傳導(dǎo)發(fā)射等方面都滿足相關(guān)標準。對于電子工程師來說，該評估板為設(shè)計低成本、高性能的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器提供了很好的參考。同時，在實際應(yīng)用中，我們也需要根據(jù)具體需求對電路進行優(yōu)化和調(diào)整，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用過程中有沒有遇到過類似設(shè)計的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。