基于CoolSET™ ICE5AR4780BZS - 1的14W、15V和5V SMPS参考板设计解析

作为电子工程师，在电源设计领域，不断追求高效、可靠且低成本的解决方案是我们的目标。今天，我将为大家详细解析一款基于英飞凌CoolSET™ ICE5AR4780BZS - 1开关控制器的14W、15V和5V离线非隔离反激式转换器参考板。

文件下载：Infineon Technologies REF_5AR4780BZS-1_14W1 评估板.pdf

一、文档概述

这份文档主要围绕REF_5AR4780BZS - 1_14W1参考板展开，旨在帮助电源设计工程师和学生设计低成本、高可靠性的离线开关电源（SMPS）。该参考板适用于多种应用，如白色家电、PC、服务器、电视的辅助电源，以及游戏机的封闭式适配器等。

二、核心器件——CoolSET™ ICE5AR4780BZS - 1

英飞凌的CoolSET™系列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。ICE5AR4780BZS - 1作为该系列的一员，具备高效节能、全面的保护功能和降低系统成本的优势。它提供了可选的进入和退出待机功率选项，具有宽VCC工作范围和快速启动能力，以及多种保护模式，确保系统的高可靠性。

三、参考板设计

1. 拓扑结构

参考板采用固定频率非隔离反激式转换器拓扑，带有初级侧反馈（FB），工作在不连续导通模式（DCM），固定开关频率为100kHz。频率降低和软门极驱动以及频率抖动功能，可降低电磁干扰（EMI），并在轻载至50%负载之间实现更好的效率。

2. 规格参数

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位	备注/条件
输入电压	VIN	85	-	300	VAC	两线（无PE）
输入频率	-	47	50/60	64	Hz	-
空载输入功率	-	0	100	mW	230VAC
输出电压1	VOUT1	-	15	-	V	±5%
输出电流1	IOUT1	-	-	830	mA	-
输出电压纹波1	VRIPPLE1	-	-	150	mV	-
输出电压2	VOUT2	-	5	-	V	±5%
输出电流2	IOUT2	-	-	400	mA	-
输出电压纹波2	VRIPPLE2	-	-	75	mV	-
输出功率	POUT_TOT	-	14.4	-	W	-
过流保护（+15V）	IOCP	-	-	1250	mA	5V满载
平均效率	ηavg	-	83	-	%	115VAC/230VAC
传导EMI	-	6	-	-	dB	裕量，CISPR 22 Class B
浪涌抗扰度（差模）	-	±2	-	-	kV	EN61000 - 4 - 5
PCBA尺寸	-	110x66x27	-	-	mm	LxWxH

需要注意的是，该参考板设计为双输出且具有交叉调节环路反馈，若仅对单输出加载，可能无法正常调节。若要评估单输出条件，需要对电路板进行相应修改。

四、电路详细分析

1. 输入滤波

交流输入侧包括输入保险丝（F1）作为过流保护，共模扼流圈（CMC）（L1）和X电容（CX1）作为EMI抑制器。可选的火花间隙装置（SA1，SA2）和压敏电阻（Z1）可在雷击浪涌测试期间吸收高压应力。通过桥式整流器（BR1）和大容量电容（C1）获得整流后的直流电压。

2. 启动

为实现快速安全启动，ICE5AR4780BZS - 1开关控制器采用高电阻启动电阻和VCC短路到地保护。当VCC达到导通电压阈值VCC_ON时，IC开始软启动。软启动是基于数字时间的功能，预设软启动时间约为12ms，分四个步骤。启动后，VCC电压由变压器的辅助绕组提供。

3. 频率降低控制

该控制器可在不连续导通模式（DCM）或连续导通模式（CCM）下运行，具有频率降低功能。参考板设计为在DCM模式下工作，当系统在最大功率下运行时，控制器以100kHz的固定频率开关。为了在轻载和中载之间实现更好的效率，实现了频率降低，最低开关频率可达43kHz。

4. 频率抖动与调制门极驱动

ICE5AR4780BZS - 1具有频率抖动功能，内部设置抖动频率为100kHz（±4kHz），抖动周期为4ms，可降低EMI噪声。

5. RCD钳位电路

钳位网络（R4，C2和D1）用于耗散漏感能量，抑制SMPS变压器上的振铃。该电路为耗散电路，因此R4和C2需要根据电压降额因子和效率要求进行微调。

6. 输出级

转换器有两个输出，+15V和+5V。功率通过肖特基二极管（D151和D101）耦合输出，电容（C152和C102）提供能量缓冲，随后的L - C滤波器（L151 - C153）和（L101 - C103）用于降低输出电压纹波，防止SMPS开关频率和线频率之间的干扰。

7. 反馈回路

输出电压由分压器（R11，R103和R153）感测，并通过VERR引脚与ICE5AR4780BZS - 1 IC的内部参考电压进行比较。比较电压通过IC内部的集成误差放大器转换为电流信号，传输到反馈引脚进行调节控制。

8. 主动突发模式（ABM）

ICE5AR4780BZS - 1 IC可选择主动突发模式（ABM）的进入和退出功率（三个级别）。在轻载条件下，SMPS进入ABM模式，此时控制器始终处于活动状态，但VCC必须保持在VVCC_OFF以上。在ABM模式下，效率显著提高，同时支持低输出纹波和快速负载突变响应。

五、系统保护功能

ICE5AR4780BZS - 1提供了全面的保护功能，包括VCC过压（OV）、欠压（UV）、过载、过温以及VCC短路到地保护。当检测到故障时，系统将进入保护模式，直到故障排除后恢复正常运行。

保护功能	故障条件	保护模式
VCC OV	Vcc大于Vvcc_ov	扩展周期跳过自动重启
VCC UV	Vvcc小于Vvcc_off	自动重启
过载	Vrs大于Vr_olp且持续tr_olpb时间	扩展周期跳过自动重启
过温	T大于140（40滞后）	非开关自动重启
VCC短路到地（WCC = 0V，RStartUp = 50MΩ和VDRAIN = 90V）	Vvcc小于Vcc_scp，iccCarne = - 0.2mA	无法启动

六、测试结果

1. 效率和调节

在不同输入电压和负载百分比下，参考板的效率表现良好，平均效率可达83%左右。

2. 待机功率

待机功率在不同输入电压下均能保持较低水平。

3. 线路调节和负载调节

输出电压在不同输入电压和负载变化下具有良好的调节性能。

4. 浪涌抗扰度

参考板通过了EN 61000 - 4 - 5标准的浪涌测试，差模浪涌耐受能力为±2kV。

5. 传导发射

传导EMI测试符合EN 55022 Class B标准。

6. 热测量

在满载条件下，参考板上最热的组件温度在可接受范围内。

七、总结与思考

通过对这款参考板的详细分析，我们可以看到ICE5AR4780BZS - 1开关控制器在电源设计中的优势。它不仅提供了高效、可靠的解决方案，还具备丰富的保护功能，能够满足多种应用场景的需求。在实际设计中，我们可以根据具体应用对电路进行优化和调整。例如，在单输出应用中，按照文档要求对电路板进行修改，以确保输出电压的稳定调节。同时，对于热管理和EMI抑制等方面，还可以进一步研究和改进，以提高系统的整体性能。

作为电子工程师，我们需要不断学习和实践，深入理解电路原理和器件特性，才能设计出更加优秀的电源解决方案。希望这篇文章能对大家在电源设计方面有所帮助，如果你有任何疑问或想法，欢迎在评论区留言讨论。