15W辅助开关电源设计：CoolSET™ ICE5AR4770AG-1的应用与实践

在电子设备的设计中，辅助开关电源（SMPS）的性能至关重要，它直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨一款基于英飞凌CoolSET™ ICE5AR4770AG-1的15W辅助SMPS设计。

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一、文档概述

这份工程报告详细介绍了使用CoolSET™ 第五代固定频率（FF）ICE5AR4770AG-1 IC的15W辅助SMPS。报告涵盖了电源规格、原理图、物料清单、PCB布局和性能数据等内容，适用于希望为主要家用电器设计高效、可靠且易于设计的辅助电源的工程师和学生。

二、关键特性与应用场景

2.1 CoolSET™ 系列优势

英飞凌的CoolSET™ AC-DC集成功率级采用固定频率开关方案，具有更高的稳健性和出色的性能。该系列提供卓越的能源效率、全面的保护功能，并降低了系统成本，非常适合各种潜在应用中的辅助电源供应，如开关电源、家用电器、服务器和电信设备等。

2.2 ICE5AR4770AG-1 的应用场景

ICE5AR4770AG-1的目标应用包括白色家电、PC、服务器或电视的辅助电源，以及蓝光播放器、机顶盒、游戏机、智能电表等的封闭式适配器。其集成的700V CoolMOS™ MOSFET大大简化了PCB的设计和布局，新改进的频率降低和频率抖动功能可降低EMI并提高效率，增强的有源突发模式（ABM）功率使待机功率操作范围的选择更加灵活。此外，该IC还实现了众多可调保护功能，可保护系统并根据所选应用进行定制。

三、参考板设计

3.1 规格参数

参考板设计具有通用输入，适用于大多数地理区域，提供三个输出：隔离的12V/1A、5V/0.1A和非隔离的15V/0.1A，这是大多数家用电器中常见的配置。具体规格如下表所示：	描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位	备注
输入电压频率	VIN	85 47	115/230	264 63	VAC Hz	2线（无PE）
	fuINE		50/60
无负载输入功率	Pstby_NL			200	mW
输出
输出电压1	Vourl		12	-	V	Vout1的LDO输出，来自辅助绕组，Voutl1和Vout2满载
输出电流1	lout1	0.02		1	A
输出电流2	lout1	0.01		0.1	A
输出电压3	Vout1		15		V
输出电流3	lout1	0.01		0.1	A
过流保护（Vout）	locp1	1.2	-	1.7	A
满载平均（25%、50%、75%和100%）	nFL nave	78 78			% %	115VAC/230VAC 115VAC/230VAC
环境						裕度，CISPR 22 Class EN 61000-4-2 EN61000-4-5
传导EMI ESD（接触/空气放电）·共模		6 ±8 ±4			dB kV kV
浪涌抗扰度
·差模		±2			kV
PCB外形尺寸		57x80x30			mm	LxWxH

3.2 电路描述

3.2.1 线路输入

交流线路输入级由输入保险丝F1、压敏电阻VAR、X电容C11、X电容放电电阻R110和R110A、共模扼流圈L11、整流二极管BR11和大容量电容C13组成。其中，X电容C11和共模扼流圈L11作为EMI抑制器。

3.2.2 启动

ICE5AR4770AG-1采用共源共栅结构对VCC电容进行快速充电。连接到GATE引脚（引脚10）的上拉电阻R16、R16A和R16B用于启动启动阶段。当VICC达到导通电压阈值16V时，IC开始软启动。软启动是一个基于数字时间的功能，预设软启动时间为12ms，分四个步骤。如果不受其他功能限制，CS引脚上的峰值电压将从0.3V逐步增加到0.8V。IC导通后，VCC电压由变压器的辅助绕组提供，并在启动期间实现了VCC对地短路保护。

3.2.3 集成MOSFET和PWM控制

ICE5AR4770AG-1包括一个功率MOSFET和一个具有频率降低功能的FF PWM控制器，还实现了有源突发模式（ABM）以实现极低的待机输入功率。PWM导通与内部振荡器同步，PWM关断由反馈信号VFB和电流传感信号VCS通过电阻R14和R14A确定。此外，该IC还执行所有必要的保护功能，包括VCC过压和欠压、过载、过温（控制器结）、线路过压保护和VCC对地短路保护，这种集成解决方案大大简化了电路布局并降低了PCB制造成本。

3.2.4 RCD钳位电路

由R11、C15和D11组成的钳位网络用于耗散漏感能量并抑制SMPS变压器上的振铃。

3.2.5 输出级

参考板有三个输出：通过二极管D21和C22整流的隔离12V输出，带有输出滤波器L21和C24；从12V输出获取的隔离5V输出，由LDO IC22提供；通过LDO IC13提供的非隔离15V输出。

3.2.6 反馈控制

系统使用TL431 IC21反馈电路监测12V输出，并通过光耦合器IC12连接到ICE5AR4770AG-1的FB引脚进行输出电压控制。

3.3 PCB布局

报告提供了参考板的顶层和底层PCB布局图，合理的布局对于减少电磁干扰和提高电源性能至关重要。

3.4 物料清单

详细列出了参考板所需的所有元器件，包括型号、制造商和数量，为实际设计和生产提供了明确的指导。

3.5 变压器构造

变压器采用EE20/10/6、TP4A（TDG）磁芯和材料，14引脚、THT、水平版本的骨架，初级电感Lp = 550 μH（±10%），并给出了详细的引脚连接、匝数、线径和电气规格等信息。

四、测试结果

4.1 效率

在不同输入电压和负载条件下对电源效率进行了测试，结果表明，在满载时平均效率可达77% - 79%左右，具体数据如下表所示：	输入（V AC/Hz）	负载百分比	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	无负载	0.136	12.020	0.000	4.975	0.000	14.914	0.000	0.00
最小负载	0.808	12.010	0.020	4.970	0.010	14.914	0.010	0.44	54.34%	77.47%
25%负载	4.523	12.005	0.250	4.970	0.025	14.914	0.025	3.50	77.35%
50%负载	8.906	11.995	0.500	4.963	0.050	14.914	0.050	6.99	78.50%
75%负载	13.515	11.990	0.750	4.963	0.075	14.914	0.075	10.48	77.57%
100%负载	18.276	11.985	1.000	4.963	0.100	14.914	0.100	13.97	76.45%
115V AC/60 Hz	无负载	0.139	12.012	0.000	4.975	0.000	14.914	0.000	0.00
最小负载	0.814	12.010	0.020	4.970	0.010	14.914	0.010	0.44	53.94%
25%负载	4.481	12.002	0.250	4.970	0.025	14.914	0.025	3.50	78.05%	79.03%
50%负载	8.773	11.995	0.500	4.963	0.050	14.914	0.050	6.99	79.69%
75%负载	13.205	11.987	0.750	4.963	0.075	14.914	0.075	10.48	79.37%
100%负载	17.684	11.980	1.000	4.963	0.100	14.914	0.100	13.97	78.98%
230V AC/50 Hz	无负载	0.160	12.010	0.000	4.975	0.000	14.914	0.000	0.00
最小负载	0.860	12.010	0.020	4.970	0.010	14.914	0.010	0.44	51.05%
25%负载	4.535	12.002	0.250	4.970	0.025	14.914	0.025	3.50	77.12%	79.44%
50%负载	8.760	11.995	0.500	4.963	0.050	14.914	0.050	6.99	79.81%
75%负载	13.065	11.987	0.750	4.963	0.075	14.914	0.075	10.48	80.22%
100%负载	17.330	11.980	1.000	4.963	0.100	14.914	0.100	13.97	80.60%
264V AC/50 Hz	无负载	0.170	12.012	0.000	4.975	0.000	14.914	0.000	0.00
最小负载	0.890	12.010	0.020	4.970	0.010	14.914	0.010	0.44	49.33%
25%负载	4.572	12.002	0.250	4.970	0.025	14.914	0.025	3.50	76.50%	79.03%
50%负载	8.812	11.992	0.500	4.963	0.050	14.914	0.050	6.99	79.32%
75%负载	13.119	11.985	0.750	4.963	0.075	14.914	0.075	10.48	79.88%
100%负载	17.370	11.980	1.000	4.963	0.100	14.914	0.100	13.97	80.41%

4.2 待机功率

待机功率测试结果显示，在不同输入电压下，待机功率都能保持在较低水平，这得益于ICE5AR4770AG-1的ABM功能。

4.3 线路和负载调节

报告给出了线路和负载调节的测试结果和相关图表，表明电源在不同输入电压和负载变化时能够保持较好的输出电压稳定性。

4.4 最大输入功率

测试了不同输入电压下的最大输入功率和12V输出的最大输出电流，为电源的实际应用提供了重要参考。

4.5 ESD抗扰度（EN61000-4-2）

系统按照EN 61000-4-2标准进行了±8kV的ESD测试，包括接触放电和空气放电，在满载电阻负载下测试结果为通过，显示了良好的ESD抗扰能力。

4.6 浪涌抗扰度（EN 61000-4-5）

系统按照EN 61000-4-5标准进行了±2kV差模和±4kV共模的浪涌抗扰度测试，在满载电阻负载且LOVP禁用的情况下测试结果为通过，证明了电源