27W、12V和5V SMPS参考板：CoolSET™ ICE5QR1680BG-1的卓越表现

在电源设计领域，一款性能优异且可靠的开关电源（SMPS）对于各类电子设备至关重要。今天，我们就来深入探讨一下由英飞凌CoolSET™ 5th Generation Quasi-Resonant (QR) Plus ICE5QR1680BG-1打造的27W、12V和5V SMPS参考板REF_5QR1680BG-1_27W1。

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一、产品概述

这款参考板采用准谐振反激式转换器拓扑，旨在评估ICE5QR1680BG-1的性能及易用性，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。其目标用户包括电源设计/应用工程师、学生等希望设计低成本、高可靠性离线SMPS的人群。

二、CoolSET™ 优势

CoolSET™家族的AC-DC集成功率级采用准谐振开关方案，具备更强的鲁棒性和出色的性能。它能提供卓越的能源效率、全面的保护功能并降低系统成本，非常适合多种潜在应用中的辅助电源应用，如家用电器、服务器和电信领域。

三、参考板规格

输入输出参数

• 输入电压和频率：支持85VAC(60Hz)~300V AC (50Hz)的宽范围输入，适应不同的电源环境。
• 输出电压、电流和功率：提供(12Vx2.17A)+(5Vx0.2 A)=27W的双路输出，满足多样化的用电需求。
• 稳压精度：+5V输出稳压精度< +5%，+12V输出稳压精度< +10%，确保输出电压的稳定性。
• 输出纹波电压：在满载且输入电压为85VAC~300VAC时，5V输出纹波峰峰值<100mV，12V输出纹波峰峰值< 200mV，有效降低对负载设备的干扰。

效率与功耗

• 有源模式四点平均效率：在115VAC和230VAC输入时，效率均>83%，展现了出色的能源转换效率。
• 空载功耗：在230VAC输入时，空载功耗<100mW，符合节能要求。

电磁兼容性与抗干扰能力

• 传导发射：通过EN 55022 Class B标准，在115VAC输入时有10dB余量，230VAC输入时有6dB余量，有效减少电磁干扰。
• ESD抗扰度：达到特殊等级（接触放电±14kV，空气放电±14kV），增强了设备在复杂电磁环境下的稳定性。
• 浪涌抗扰度：符合EN61000 - 4 - 5安装等级4（线间±2 kV，线对地±4 kV），能有效应对浪涌冲击。

四、电路设计

1. 线路输入部分

AC线路输入侧配备输入保险丝F1作为过流保护，扼流圈L1、X电容（CX1和CX2）和Y电容CY1作为EMI抑制器。火花间隙和压敏电阻Z1可吸收雷电浪涌测试期间的高压应力，通过桥式整流器BR1和大容量电容C1获得120~424 V DC的整流电压。

2. 启动部分

ICE5QR1680BG-1采用启动电阻和VCC - 至 - GND短路保护，实现快速安全启动。当VICC达到开启电压阈值（16 V）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。IC开启后，VCC电压由变压器的辅助绕组提供，且在启动期间具备VCC短接到地的短路保护。

3. 集成CoolMOS™ MOSFET和PWM控制

该芯片集成了功率MOSFET和专有的新型QR控制器，可提高平均效率并降低EMI，同时简化电路布局，降低PCB制造成本。PWM的开启由过零检测输入信号和上下计数器的值决定，关闭由反馈信号VFB和电流检测信号VCS决定，还能执行反激式转换器所需的所有保护功能。

4. RCD钳位电路

由R4、C2和D1组成的钳位网络可耗散漏电感的能量，抑制SMPS变压器上的振铃。

5. 输出级

二次侧有12V和5V两个输出，功率通过肖特基二极管（D5和D6）耦合输出。电容（C9A和C10A）提供能量缓冲，随后的L - C滤波器（L2 - C9B、C9C和L3 - C10B）可降低输出纹波，防止SMPS开关频率和线路频率之间的干扰。存储电容设计为具有尽可能小的内部电阻（ESR），以最小化由三角电流引起的输出电压纹波。

6. 反馈回路

输出电压通过分压器（R16、R17、R21A和R21B）进行检测，并与IC3（TL431）的内部参考电压进行比较。C11、C14和R18组成补偿网络，IC3（TL431）的输出电压通过光耦（IC2）和两个电阻（R19和R20）转换为电流信号，用于调节控制。

7. 初级侧峰值电流控制

通过外部电阻（R8A和R8B）检测MOSFET的漏源电流。由于ICE5QR1680BG-1是电流模式控制器，它能实现逐周期的初级电流和反馈电压控制，确保在每个开关周期内控制转换器的最大功率。同时，内部电流限制结合线相关的VCS曲线和新的专有QR开关，可减少最小和最大线路之间的开关频率差异，从而根据输入电压限制最大输出功率。

8. 数字频率降低

在正常运行期间，ICE5QR1680BG-1的开关频率会随着负载的降低而数字式降低。在轻载条件下，MOSFET不会在第一次漏源电压最小值时开启，而是在第n次开启。计数器范围在低线时为1到8，高线时为3到10，具体取决于基于时间的反馈电压。当输出功率需求降低时，反馈电压降低，计数器增加；反之亦然。

9. 主动突发模式（ABM）

ICE5QR1680BG-1可选择ABM进入和退出功率（两个级别）。在轻载条件下，SMPS进入具有QR开关的ABM模式。在此阶段，控制器始终处于活动状态，但Vucc必须保持在关断阈值以上。在ABM期间，效率显著提高，支持Vout上的低纹波和负载突变时的快速响应。进入ABM操作需要满足三个条件：反馈电压低于VFBEB阈值；上下计数器在低线时为8，高线时为10；需要一定的消隐时间（tBEB = 20 ms）。进入ABM后，最大CS电压从1 V降低到0.31/0.35 V，以减少传导损耗和可听噪声。当输出负载突然增加时，反馈电压会立即增加，离开ABM后，可提供最大电流以稳定Vout，同时上下计数器会立即设置为“1”（低线）或“3”（高线），有助于减少输出电压下冲。

五、保护功能

ICE5QR1680BG-1提供全面的保护功能，确保系统安全运行。当检测到故障时，系统进入保护模式，直到故障消除后恢复正常运行。具体保护功能及故障条件如下：	保护功能	故障条件	保护模式
线路过压	VvIN > VvIN_LOVP	非开关自动重启
欠压保护	VVN < VIN_BO	非开关自动重启
Vcc过压	Vvcc > Vvcc_ovp	奇数跳过自动重启
Vcc欠压	Vvcc < VvCc_OFF	自动重启
过载保护	VrB > Vr_oup且持续30 ms	奇数跳过自动重启
输出过压	VzcD > VzcD_ovp且连续10个脉冲	奇数跳过自动重启
过温保护（仅控制器芯片结温）	T > 140°C，复位滞后40°C	非开关自动重启
Vcc短接到地（Vvcc = 0V，Rsarup = 50MΩ，Vorain = 90V）	Vvcc < Vvcc_scp，lvcc.charge = lccharge	无法启动

六、PCB布局

1. 总体原则

• 采用星形接地，将所有初级接地分别连接到大容量电容C1的接地端，有效减少开关噪声进入CoolSET™设备的敏感引脚。初级星形接地可分为四组：信号（连接到CoolSET™ GND引脚的所有小信号接地，如滤波电容C6、C7、C8和光耦接地）和功率接地（CS电阻R8A和R8B）；VCC接地包括VCC电容接地（C3）和电源变压器的辅助绕组接地（引脚3）；EMI返回接地包括Y电容（CY1）和桥式整流器（BR1）的直流接地。
• 滤波电容应靠近控制器接地和控制器引脚放置，以减少耦合到控制器的开关噪声。
• 高压走线应保持足够的间距，避免电弧产生。例如，400 V走线（大容量电容C1的正母线）与附近走线的间距>2.0 mm，600 V走线（CoolSET™ IC1的漏极电压）与附近走线的间距>2.5 mm。
• 为了获得更好的热性能，在PCB的漏极引脚处应添加最小232 mm²的铜面积。
• 为了最小化开关辐射，应尽量减小功率回路面积（大容量电容C1）、变压器TR1的初级绕组（引脚7和5）、IC1漏极引脚和IC1 CS引脚（CS电阻R8A/R8B）。

2. 具体层面布局

• 顶层：展示了各种元件的布局。
• 底层：呈现了铜层和元件的布局情况。

七、变压器结构

变压器采用EE25/13/7(EF25)磁芯和TP4A (TDG)材料，使用070 - 5644（14引脚，THT，水平版本）骨架。初级电感Lp = 400 μH（±10%），测量引脚为5和7。制造商为Würth Elektronik Midcom，型号为750343389。其绕组结构和电气参数如下：	起始引脚	终止引脚	匝数	线径	层
5	6	24	2XAWG30	/2初级
3		50REF	AWG30	屏蔽层
12	9	3	6XAWG28，三重绝缘线	二次侧，5V
8	11	4	6XAWG28，三重绝缘线	二次侧，7V
6	7	24	2XAWG30	/2初级
1	3	9	2XAWG30	辅助绕组

参数	引脚	测试条件	值
直流电阻	1 - 3	@20℃	0.100欧姆最大
直流电阻	5 - 7	@20℃	0.422欧姆最大
直流电阻	8 - 11	@20	0.013欧姆最大
直流电阻	12 - 9	@20	0.010欧姆最大
电感	5 - 7	50kHz、100mV、Ls	400.0μH ± 10%
漏电感	5 - 7	+3++12、100kHz、10mV、La	7.0最大
介电强度	7 - 8	（3 + 5、+ 9），3750VAC，1秒
介电强度	8 - 磁芯	（8 + 9），3750VAC，1秒
匝数比	[5 - 7]:[1 - 3]		5.33:1，±2%
匝数比	[5 - 7]:[8 - 11]		12:1，±2%
匝数比	[5 - 7]:[12 - 9]		16:1，±2%

八、测试结果

1. 效率、稳压和输出纹波

在不同输入电压和负载条件下，对参考板的效率、输出电压、输出电流、输出纹波和功率进行了测试。结果显示，其在各种工况下都能保持较高的效率和稳定的输出电压与纹波。

2. 待机功率

通过Yokogawa WT210功率计在积分模式下测量，展示了无负载和30 mW负载时待机功率与交流输入电压的关系。

3. 线路稳压

测试了满载时输出电压与交流输入电压的关系，结果表明参考板在不同输入电压下能较好地保持输出电压稳定。

4. 负载稳压

测试了输出电压与输出功率的关系，显示出在不同负载下输出电压的稳定性。

5. 最大输入功率

测试了过载保护前的最大输入功率与交流输入电压的关系，为实际应用中的功率设计提供了参考。

6. ESD抗扰度

通过EN 61000 - 4 - 2特殊等级（接触放电±14 kV，空气放电±16 kV），表明其具有良好的静电抗干扰能力。

7. 浪涌抗扰度

通过EN 61000 - 4 - 5安装等级4（线间±2 kV，线对地±4 kV），能有效应对浪涌冲击。

8. 传导发射

通过EN 55022 (CISPR 22) Class B标准，在115VAC输入时准峰值测量有10 dB余量，230VAC输入时有6 dB余量，有效减少电磁干扰。

9. 热测量

在环境温度为25°C的条件下，使用红外热成像相机（FLIRT420）对开放式参考板进行热测试。在满载运行一小时后进行测量，结果显示主要元件（如变压器、二次二极管、IC等）的温度在合理范围内，确保了设备的可靠性和稳定性。

九、波形与示波器图

使用TELEDYNELECROY 606Zi示波器记录了各种工况下的波形，包括低/高交流输入电压下最大负载启动、软启动、最大负载时的漏极和CS电压、正常运行时的过零点、负载瞬态响应、最大负载和ABM 1W负载时的输出纹波电压、进入和离开ABM模式等情况，为工程师分析电路性能提供了直观的依据。

综上所述，REF_5QR1680BG-1_27W1参考板凭借其高性能、高可靠性和全面的保护功能，为电源设计工程师提供了一个优秀的解决方案。无论是在效率、稳定性还是抗干扰能力方面，都展现出了卓越的表现。你在实际设计中是否会考虑采用这样的参考板呢？欢迎在评论区分享你的想法。