700 mA非隔离高压降压评估板：CoolSET™ ICE5BR2280BZ - 1的卓越表现

在电子电源设计领域，非隔离高压降压转换器一直是研究的热点。今天，我们就来深入探讨一下使用英飞凌最新的CoolSET™ 第五代固定频率增强型ICE5BR2280BZ - 1开关控制器的15 V、700 mA非隔离高压（HV）降压转换器评估板。

文件下载：Infineon Technologies EVAL_5BR2280BZ-1_700MA 评估板.pdf

一、评估板概述

1.1 适用对象

这份文档主要面向开关电源（SMPS）设计/应用工程师、学生等群体。这些人希望为诸如白色家电辅助电源、智能电表等应用设计低成本的非隔离降压转换器。

1.2 CoolSET™ 系列优势

英飞凌的CoolSET™ 采用固定频率开关方案的AC - DC集成功率级，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应用，如SMPS、家电、服务器和电信等领域。

二、评估板规格

2.1 输入规格

输入电压范围为85 - 264 V AC（2线制，无PE线），频率范围在47 - 63 Hz，典型值为50/60 Hz。

2.2 输出规格

输出电压为15 V，输出电流最大可达0.7 A，输出功率最大为10.5 W，输出电压精度在±5%以内，过流保护设定为额定电流的150%以内，纹波和噪声电压（20 MHz带宽）小于1%（使用10 µF电解电容和0.1 µF多层陶瓷电容时）。

2.3 环境规格

传导电磁干扰（EMI）有6 dB的余量，符合CISPR 22 Class B标准；浪涌抗扰度方面，差模（DM）为±1 kV（符合EN 61000 - 4 - 5标准）；环境温度范围为 - 20 - 50 °C（自由对流，海平面）；PCB尺寸为70 × 35 × 23 mm（长×宽×高）。

三、电路详细解析

3.1 线路输入

交流线路输入级由输入保险丝（F1）、压敏电阻（VAR1）、X电容（C1）、整流二极管桥（D1）、电容（C2和C3）和电感（L1）组成。其中，X电容（C1）和π滤波器（C2、L1和C3）起到电磁干扰抑制的作用。

3.2 启动过程

ICE5BR2280BZ - 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4）的上拉电阻（R1）用于启动启动阶段。当VCC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。如果不受其他功能限制，CS引脚上的峰值电压将从0.3 V逐步增加到0.8 V。IC开启后，VCC电压由输出电压提供，并且在启动期间实现了VCC对地短路保护。

3.3 集成MOSFET和PWM控制

ICE5BR2280BZ - 1集成了功率MOSFET和控制器，简化了电路布局，降低了PCB制造成本。控制器和MOSFET位于转换器的高端，以续流二极管（D4）的阴极作为浮动地。使用超快速恢复二极管（D4）允许电感去磁电流通过它，并限制功率MOSFET中的尖峰电流，特别是在降压转换器以连续导通模式（CCM）运行时。因此，仅在续流二极管导通期间感测输出电压。

3.4 输出级

最大输出电压纹波由输出电容和输出电容的等效串联电阻（ESR）决定。选择低ESR电容有助于减少纹波。假负载电阻（R9）有助于在轻载条件下调节输出电压。

3.5 反馈控制

ICE5BR2280BZ - 1开关控制器集成了一个跨导放大器用于反馈（FB）控制。输出由分压器（R4和R5）感测，并与VERR引脚处的内部参考电压进行比较。建议在FB引脚上使用外部补偿网络（C4、C5和R2）来控制输出电压。

3.6 初级侧峰值电流控制

通过外部电阻（R7和R8）感测MOSFET的漏源电流。ICE5BR2280BZ - 1开关控制器是一种电流模式控制器，具有逐周期的初级电流和FB电压控制，确保在每个开关周期内控制转换器的最大功率。为避免MOSFET导通瞬态电压尖峰引起的误触发，在电流感测（CS）路径中集成了前沿消隐（LEB）时间（tcs_LEB）。

3.7 频率降低

在轻载时，ICE5BR2280BZ - 1开关控制器实现了频率降低功能，以提高效率。当负载降低时，开关频率FSW降低，从而减少开关损耗。通常，高负载时FSW为65 kHz，当VFB = 1.7 V时开始降低。即使负载进一步降低，一旦达到foscx_MIN，频率将不再降低。

3.8 主动突发模式

ICE5BR2280BZ - 1 IC可以选择ABM进入和退出功率（两个级别）。本评估板使用ABM功率级别1（R3 = 开路）。

3.9 保护功能

ICE5BR2280BZ - 1开关控制器提供全面的保护功能，包括VCC过压（OV）和欠压（UV）、过载、输出OV、过温（控制器结温）和VCC对地短路保护。当检测到这些故障时，系统将进入保护模式。一旦故障消除，系统将恢复正常运行。为了在自动重启保护期间保护ICE5BR2280BZ - 1开关控制器免受过度热应力，使用了一个15 μF的VCC电容（C9）将总自动重启关断时间延长至约2 s。

四、PCB布局

4.1 顶层布局

顶层布局图展示了铜层和元件的分布情况。

4.2 底层布局

底层布局图展示了底层铜层的分布。

五、物料清单

文档中提供了详细的物料清单，包括电容、电阻、二极管、IC、电感等元件的规格、制造商和数量等信息。

六、测试结果

6.1 效率测试

在不同的输入电压（85 V AC/60 Hz、115 V AC/60 Hz、230 V AC/50 Hz、264 V AC/50 Hz）和负载百分比（无负载、25%、50%、75%、100%）下进行了效率测试。结果显示，效率在不同条件下有所波动，但整体表现良好。例如，在85 V AC/60 Hz输入、100%负载时，效率为82.63%。

6.2 待机功率

通过测试不同输入电压下的待机功率，发现泄放电阻R9可以防止无负载时输出电压升高。

6.3 线路和负载调节

线路和负载调节测试结果展示了评估板在不同输入电压和负载条件下的输出电压稳定性。

6.4 浪涌抗扰度

根据EN 61000 - 4 - 5标准进行浪涌抗扰度测试，在115/230 V AC、700 mA的条件下，差模±1 kV测试通过。

6.5 传导发射

传导电磁干扰（EMI）测试按照EN 55022（CISPR 22）Class B标准进行，评估板在115 V AC和230 V AC输入、700 mA负载下，准峰值测量均有6 dB的余量，测试通过。

6.6 热测量

在环境温度为25°C的条件下，使用红外热成像相机对评估板进行热测试。结果显示，在85 V AC和264 V AC全负载运行一小时后，主要元件（如D4、L2、IC1）的温度有所不同。例如，在85 V AC全负载时，D4的温度为77.5°C。

七、波形和示波器图

7.1 最大负载启动

展示了评估板在最大负载下的启动波形。

7.2 软启动

软启动波形显示了IC在启动过程中的电压和电流变化情况。

7.3 最大负载时的漏极电压和漏极电流

展示了MOSFET在最大负载时的漏极电压和电流波形。

7.4 最大负载时的输出纹波电压

输出纹波电压波形显示了评估板在最大负载时的输出电压稳定性。

7.5 ABM操作

ABM操作波形展示了主动突发模式下的工作情况。

7.6 过载保护

过载保护波形显示了在输出负载从满载变为过载（输入85 V AC或264 V AC）时的系统响应。

7.7 输出短路测试

输出短路测试波形展示了评估板在输出短路时的保护机制。

八、设计示例A

8.1 规格说明

评估板上有一个用于两个串联的低压差（LDO）稳压器的元件占位符。IC2调节的12 V输出最大可提供350 mA电流，IC3调节的5 V输出最大可提供200 mA电流。由于12 V输出和5 V输出均来自主输出15 V，因此总输出电流不应超过主输出电流的最大容量。

8.2 满载效率

LDO电路会带来额外的功率损耗，从而降低整体效率。LDO安装在散热片上。在不同输入电压（85 V AC/60 Hz、115 V AC/60 Hz、230 V AC/50 Hz、264 V AC/50 Hz）下的满载效率测试结果显示，效率在56.44% - 57.33%之间。

九、总结

英飞凌的CoolSET™ ICE5BR2280BZ - 1评估板在非隔离高压降压转换器设计方面表现出色。它具有多种先进的功能和保护机制，能够在不同的工作条件下提供稳定的输出。通过详细的测试和分析，我们可以看到其在效率、待机功率、浪涌抗扰度、传导发射等方面都满足相关标准。对于电子工程师来说，该评估板为设计低成本、高性能的非隔离降压转换器提供了很好的参考。同时，在实际应用中，我们也需要根据具体需求对电路进行优化和调整，以充分发挥其性能优势。大家在使用过程中有没有遇到过类似设计的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。