44 W, 12 V SMPS评估板：CoolSET™ ICE5AR0680AG - 1及其变体应用解析

44 W, 12 V SMPS评估板：CoolSET™ ICE5AR0680AG - 1及其变体应用解析

在电源设计领域，开发出高效、可靠且成本合理的开关电源（SMPS）是工程师们不断追求的目标。今天，我们就来深入探讨一款由英飞凌（Infineon）推出的44 W, 12 V SMPS评估板——EVAL_5AR0680AG - 1_44W1，它搭载了CoolSET™ 5th Generation Fixed - Frequency Plus ICE5AR0680AG - 1开关控制器，还能对其他变体IC特性和功能进行评估。

文件下载：Infineon Technologies EVAL_5AR0680AG-1_44W1 评估板.pdf

1. 评估板概述

这款评估板采用固定频率反激式转换器拓扑，旨在为离线SMPS提供解决方案，适用于白色家电、PC、服务器、电视的辅助电源，以及游戏机的封闭式适配器等应用场景。其核心优势在于高效、低待机功耗、宽 $V_{CC}$ 工作范围、强大的线路保护功能和多种保护模式，能为高可靠性系统提供有力支持。

2. 评估板规格亮点

• 输入输出参数：输入电压范围为85VAC(60 Hz) ~ 300VAC(50 Hz)，输出为12V x 3.66A = 44W，能够适应不同的电源环境。
• 性能表现
  • 动态负载响应在负载从10% 到100%变化时，仅为标称输出电压的 +3%，体现了良好的负载适应性。
  • 输出纹波电压在满载情况下，85VAC ~ 300VAC 输入时，12Vrpple p - p ≤ 100mV，输出稳定。
  • 有源模式四点平均效率（25%、50%、75%、100%负载）在115VAC和230VAC输入时均 > 87%，高效节能。
  • 空载功耗在230VAC输入时 < 100mW，符合低功耗要求。
• 电磁兼容性：传导发射（EN55022 Class - B）在115V AC输入时有8 dB余量，230VAC输入时有6 dB余量；ESD抗扰度（EN61000 - 4 - 2）达到接触放电4级，空气放电3级（接触和空气放电均为±8 kV）；浪涌抗扰度（EN61000 - 4 - 5）达到安装类别4（线间±2 kV，线对地±4 kV）。这些指标表明该评估板在复杂电磁环境下具有良好的抗干扰能力。

3. 电路详细剖析

3.1 线路输入部分

AC线路输入侧设有输入保险丝（F1）作为过流保护，同时，电感（L11）、X电容（C11）和Y电容（C12）组成了EMI抑制电路，可有效减少电磁干扰。可选的火花隙装置SA1、SA2和压敏电阻VAR能在雷击浪涌测试中吸收高压应力。经过桥式整流器（BR1）和大容量电容（C13）后，可得到120 ~ 424 V DC的整流电压。

3.2 启动过程

为实现快速安全启动，ICE5AR0680AG - 1开关控制器采用了启动电阻和 $V{CC}$ 短路到地保护功能。当 $V{CC}$ 达到16 V的开启电压阈值时，IC开始软启动。软启动是基于数字时间的功能，预设软启动时间为12 ms，分四个步骤进行。若不受其他功能限制，CS引脚的峰值电压将从0.3 V逐步增加到0.8 V。IC启动后，$V{CC}$ 电压由变压器的辅助绕组提供。在启动期间，还实现了 $V{CC}$ 短路到地保护。

3.3 集成CoolMOS™与频率降低控制器

ICE5AR0680AG - 1集成了CoolMOS™超结MOSFET和频率降低控制功能，能在轻载到50%负载条件下实现更高的效率。该评估板设计为在连续导通模式（CCM）下工作，以提高低线满载条件下的效率。当系统以最大功率运行时，控制器以100 kHz的固定频率切换。为了在轻载和中载之间实现更好的效率，采用了频率降低技术，最大频率降低后，最小开关频率为43 kHz。

3.4 频率抖动功能

ICE5AR0680AG - 1具备频率抖动特性，内部设置抖动频率为100 kHz（±4 kHz），抖动周期为4 ms，可有效降低EMI噪声。

3.5 RCD钳位电路

由R11、R11A、C15和D11组成的钳位网络，可消耗漏感能量，抑制SMPS变压器上的振铃现象，保护电路稳定运行。

3.6 输出级设计

次级侧有一个12 V的单输出，功率通过肖特基二极管（D21）耦合输出。电容（C22、C23和C23A）提供能量缓冲，随后的L - C滤波器（L21 - C24）可降低输出纹波，并有效防止SMPS开关频率与线路频率之间的干扰。储能电容（C22、C23和C23A）设计为具有尽可能低的内部电阻（ESR），以最小化三角电流引起的输出电压纹波。

3.7 反馈回路

输出通过R26和R25组成的分压器进行采样，并与IC21（TL431）内部参考电压进行比较。电容和电阻（C25、C26和R24）构成补偿网络，IC21（TL431）的输出电压通过光耦合器（IC12）和两个电阻（R22和R23）转换为电流信号，用于调节控制。

3.8 有源突发模式（ABM）

ABM的进入和退出功率有三种选择，本评估板设置为选项3。在轻载条件下，SMPS进入ABM操作，此时控制器始终处于活动状态，并保持 $V{ucc}$ 高于关断阈值。进入ABM操作需满足两个条件：FB电压必须低于 $V{FBEBXP}$ 阈值，并且需要一定的消隐时间（$t{FB _ BEB}=36 ~ms$）。在ABM期间，效率显著提高，同时支持 $V_{out}$ 上的低纹波和负载突变时的快速响应。

4. 保护功能：保障系统安全

ICE5AR0680AG - 1提供了全面的保护功能，包括 $V{CC}$ 过压保护（OVP）和欠压保护（UVP）、过载保护、过温保护（控制器结温）以及 $V{CC}$ 短路到地保护。当检测到故障时，系统将进入保护模式，故障排除后，系统恢复正常运行。不同保护功能在正常模式和突发模式下的表现如下表所示：	保护功能	正常模式	突发模式（开启）	突发模式（关闭）	保护模式
线路过压	√	√	√	非开关自动重启
$V_{cc}$ 过压	√	√	不适用	奇周期跳过自动重启
$V_{cc}$ 欠压	√	√	√	自动重启
过载/开环	√	不适用	不适用	奇周期跳过自动重启
过温	√	√	√	非开关自动重启
$V_{cc}$ 短路到地	√	√	√	无法启动

5. 变压器与PCB设计

5.1 变压器构造

变压器采用EE25/13/7(EF25)，TP4A (TDG) 磁芯和材料，070 - 5644（14引脚，THT，水平版本）骨架。初级电感 $Lp = 439 mu H$（±10%），在引脚1和引脚3之间测量。其绕组匝数、线径和层间分布都经过精心设计，以满足电路性能要求。同时，还添加了水平和垂直外部屏蔽，并连接到引脚6，提高了电气性能和抗干扰能力。

5.2 PCB布局

评估板的PCB布局分为顶层和底层，顶层展示了组件布局，底层则显示了铜层和组件分布。合理的PCB布局对于减少电磁干扰、提高散热性能和保证电路稳定性至关重要。

6. 测试结果分析

6.1 效率、调节和输出纹波

在不同输入电压和负载条件下，对评估板的效率、输出电压调节和输出纹波进行了测试。测试结果表明，评估板在各种输入电压下都能保持较高的效率和稳定的输出电压，输出纹波也在合理范围内。

6.2 其他性能指标

• 待机功率在不同输入电压下均能保持较低水平，体现了良好的节能效果。
• 线路调节和负载调节性能良好，输出电压在不同输入电压和负载变化时保持稳定。
• 最大输入功率测试显示，在过载保护启动前，评估板能够承受一定的输入功率。
• 电磁兼容性测试中，ESD抗扰度、浪涌抗扰度和传导发射均符合相关标准，证明了评估板在电磁环境中的可靠性。
• 热测量结果显示，在环境温度23°C下，经过一小时满载运行后，主要组件的温度都在合理范围内，表明评估板具有良好的散热性能。

7. 波形与示波器图

通过示波器记录了评估板在不同工况下的各种波形，包括启动、软启动、最大负载下的漏极和电流检测电压、频率抖动、负载瞬态响应、输出纹波电压等。这些波形直观地展示了评估板的工作状态和性能特点，对于工程师深入理解电路工作原理和优化设计具有重要意义。

8. 350 V AC运行电压及组件更改建议

若要使评估板在高达350 V AC的电压下运行，并在370 V AC实现线路过压保护，需要对部分组件进行更改，如将C11更换为330 nF/350V AC电容，F1更换为1.6 A/350VAC保险丝等。同时，文档还给出了350 V AC运行电压下的线路过压保护波形和相关电压测量结果。

9. 其他变体评估的组件更改

对于想要评估ICE5BR4780AG - 1、ICE5BR3995AG - 1、ICE5GR1680AG - 1和ICE5GR2280AG - 1等其他变体IC特性和功能的用户，文档提供了变压器设计和组件更改建议。不同变体的变压器在初级电感、匝数和线径等方面有所不同，同时，电流检测电阻和输出电容的值也需要相应调整。

总之，EVAL_5AR0680AG - 1_44W1评估板凭借其高性能、全面的保护功能和可扩展性，为电源设计工程师提供了一个优秀的参考方案。无论是在常规应用还是特殊工况下，都能满足低功耗、高效率和高可靠性的设计需求。各位工程师们在实际设计中，不妨根据具体应用场景对评估板进行适当的调整和优化，以实现最佳的电源解决方案。大家在使用这款评估板或者进行相关设计时，遇到过哪些问题或者有什么独到的见解呢？欢迎在评论区交流分享！