14W、15V 和 5V SMPS 参考板：CoolSET™ ICE5AR3995BZ - 1 的卓越表现

在电源设计领域，高效、可靠且成本效益高的开关电源（SMPS）一直是工程师们追求的目标。今天，我们将深入探讨一款采用英飞凌 CoolSET™ 第五代固定频率增强型 ICE5AR3995BZ - 1 开关控制器的 14W、15V 和 5V 非隔离反激式转换器参考板，看看它能为我们带来哪些惊喜。

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一、参考板概述

这款参考板专为评估 CoolSET™ ICE5AR3995BZ - 1 开关控制器的性能而设计，旨在实现优化的效率、热性能和电磁干扰（EMI）抑制。它采用固定频率非隔离反激式转换器拓扑，并带有初级侧反馈（FB），工作在不连续导通模式（DCM），固定开关频率为 100kHz。其目标应用广泛，包括白色家电、PC、服务器和电视的辅助电源，以及游戏机的封闭式适配器等。

1.1 规格参数

参考板具有以下主要规格参数：

• 输入：电压范围为 85 - 300VAC，频率范围为 47 - 64Hz，230VAC 时无负载输入功率最大为 100mW。
• 输出：有 +15V 和 +5V 两个输出，+15V 输出电流最大为 830mA，+5V 输出电流最大为 400mA，输出功率标称值为 14.45W。
• 效率：在 115VAC/230VAC 时平均效率为 83%。
• 环境特性：传导 EMI 余量符合 CISPR 22 Class - B 标准，差模浪涌抗扰度为 ±2kV（EN61000 - 4 - 5）。
• 尺寸：PCB 尺寸为 110x66x27mm（LxWxH）。

需要注意的是，该参考板设计为双输出且带有交叉调节环路 FB，如果仅对单输出加载，可能无法正常调节。若要评估单输出条件（如仅 15V），需要对电路板进行相应更改。

二、电路详细解析

2.1 输入滤波

交流输入侧包含输入保险丝（F1）用于过流保护，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）可吸收雷击浪涌测试期间的高电压应力。通过桥式整流器（BR1）和大容量电容（C1）可获得整流后的直流电压。

2.2 启动

为实现快速安全启动，ICE5AR3995BZ - 1 开关控制器采用高电阻启动电阻和 $V{CC}$ 对地短路保护。当 $V{CC}$ 达到开启电压阈值 $V{CC_ON}$ 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。IC 开启后，$V{CC}$ 电压由变压器的辅助绕组提供，并且在启动期间实现了 $V_{CC}$ 对地短路保护。

2.3 集成 CoolMOS™ MOSFET 与频率降低控制

集成的高效 CoolMOS™ 超结 MOSFET 和频率降低控制功能，可在轻载到满载条件下实现更好的效率。这种集成解决方案大大简化了电路布局，降低了 PCB 制造成本。该参考板设计为在 DCM 模式下工作，当系统处于最大负载条件时，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，实现了频率降低功能，其降低曲线如图 2 所示。当开关频率降低时，$V{CS}$ 由电流限制阈值或 PWM 运算放大器钳位。在最大频率降低后，最小开关频率为 $f{OSC4_MIN}$（43kHz）。

2.4 频率抖动

ICE5AR3995BZ - 1 具有频率抖动功能，可降低 EMI 噪声。抖动频率内部设置为 100kHz（±4%），抖动周期为 4ms。

2.5 RCD 钳位电路

钳位网络（R4、C2 和 D1）用于耗散开关电源变压器上的漏感能量，并抑制振铃。这是一个耗能电路，因此 R4 和 C2 需要根据电压降额因子和效率要求进行微调。

2.6 输出级

该转换器有 +15V 和 +5V 两个输出。功率通过肖特基二极管（D151 和 D101）耦合输出。电容器（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，并防止开关电源开关频率和线路频率之间的干扰。存储电容器（C152 和 C102）选择低 ESR 值，以最小化输出电压纹波。

2.7 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 ICE5AR3995BZ - 1 开关控制器的内部参考电压进行比较，该引脚连接到内部集成误差放大器的输入。通过连接该引脚，可实现非隔离应用。比较电压通过 IC 内部集成误差放大器转换为电流信号，传输到 FB 引脚进行调节控制。

2.8 主动突发模式（ABM）

ICE5AR3995BZ - 1 开关控制器可选择 ABM 进入和退出功率（三个级别）。在轻载条件下，开关电源进入 ABM 模式。在此阶段，控制器始终处于活动状态，但 $V{CC}$ 必须保持在 $V{CC_OFF}$ 以上。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条件下的快速响应。进入 ABM 需要满足两个条件：FB 电压必须低于阈值 $V{FB_EXP}$，并且必须经过一定的消隐时间（$t{FB_BEB}=36ms$）。一旦满足这两个条件，ABM 触发器置位，控制器进入 ABM 操作。在 ABM 期间，最大 CS 电压从 $V{CS_N}$ 降低到 $V{CS_BXP}$，以降低传导损耗和可听噪声。在突发模式下，FB 电压在 $V{FB_Bon_NISO}$ 和 $V{FB_Boff_NISO}$ 之间呈锯齿状变化。当输出负载突然增加时，FB 电压立即升高，当 FB 电压超过 $V{FB_LB}$ 时，控制器离开 ABM，PCL 阈值电压将立即恢复到 $V{CS_N}$ 以稳定 $V{out}$。

三、保护特性

保护功能是确保系统安全可靠的关键因素。ICE5AR3995BZ - 1 提供了全面的保护功能，包括 $V{CC}$ 过压（OV）和欠压（UV）、过载、过温（控制器结温）以及 $V{CC}$ 对地短路。当检测到这些故障时，系统将进入保护模式，直到故障消除后恢复正常运行。具体保护功能和故障条件如下表所示：	保护功能	故障条件	保护模式
$V_{CC}$ OV	$V{VCC}>V{VCC_OP}$	扩展周期跳过自动重启
$V_{CC}$ UV	$V{VCC}{VCC_OFF}$	自动重启
过载	$V{RE}>V{ROLP}$ 并持续 $t_{ROL_OP_B}$	扩展周期跳过自动重启
过温	$T_{j}>140^{circ}C$（40°C 滞回）	非开关自动重启
$V{CC}$ 对地短路（$V{VCC}=0V$，$R{STARTUP}=50MOmega$ 且 $V{DRAN}=90V$）	$V{VCC}-V{CS_SCP_IECCANE}=-1.2A$	无法启动

四、测试结果

4.1 效率和调节

通过不同输入电压和负载百分比下的测试，得到了输入功率、输出电压、输出电流、输出功率、效率等参数。平均效率在 115VAC/230VAC 时达到 83%，显示了该参考板在不同条件下的高效性能。

4.2 效率曲线

效率曲线直观地展示了效率与输出负载之间的关系，有助于工程师了解在不同负载情况下的效率表现。

4.3 待机功率

待机功率与交流输入电压的关系曲线显示了该参考板在待机状态下的低功耗特性。

4.4 线路调节和负载调节

线路调节曲线展示了满载时输出调节与交流输入电压的关系，负载调节曲线展示了输出调节与负载的关系，这些曲线反映了参考板在不同输入电压和负载条件下的输出稳定性。

4.5 最大输入功率

最大输入功率和输出电流（过载保护前）与交流输入电压的关系曲线，为工程师提供了在不同输入电压下的功率和电流限制信息。

4.6 浪涌抗扰度

该参考板通过了 EN 61000 - 4 - 5 安装类别 4（线对线 ±2kV）的浪涌抗扰度测试，表明其具有良好的抗浪涌能力。

4.7 传导发射

传导发射测试按照 EN 55022（CISPR 22）Class - B 标准进行，在 115V AC 和 230V AC 满载电阻负载下进行测试，结果显示该参考板的传导 EMI 符合标准要求。

4.8 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开放框架参考板进行热测试。在满载条件下运行一小时后进行测量，得到了参考板上最热组件在 85V AC 和 300V AC 时的温度，为热设计提供了参考。

五、波形和示波器图

通过示波器记录了启动、软启动、满载时的漏极和 CS 电压、频率抖动、输出纹波电压、进入和离开 ABM 等不同状态下的波形，这些波形有助于工程师深入了解参考板的工作过程和性能。

六、总结

这款采用英飞凌 CoolSET™ ICE5AR3995BZ - 1 开关控制器的 14W、15V 和 5V SMPS 参考板，凭借其高效的性能、全面的保护功能和良好的 EMI 抑制能力，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、热性能还是可靠性方面，都表现出色。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对参考板进行适当调整和优化，以满足不同的设计要求。你在使用类似参考板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。