45W适配器演示板：800V CoolMOS™ P7与ICE2QS03G准谐振PWM控制器的完美结合

在电源设计领域，不断追求更高的效率、更低的成本和更小的尺寸是永恒的目标。英飞凌推出的这款45W适配器演示板，采用了全新的800V CoolMOS™ P7和ICE2QS03G准谐振PWM控制器，为我们带来了许多值得关注的亮点。今天，我就来和大家详细探讨一下这款演示板的相关技术。

文件下载：EVAL45W19VFLYBP7TOBO1.pdf

一、演示板概述

这款45W适配器演示板主要用于充电器和适配器应用的测试平台，旨在展示800V CoolMOS™ P7的工作情况以及整体控制器的设计。它采用准谐振反激拓扑结构，这种拓扑结构能够有效降低开关损耗，实现更高的功率密度设计，同时减少辐射和传导干扰。该演示板基于ICE2QS03G控制器和P7 MOSFET，实现了90V - 265V交流输入，输出19V、45W的功率。

二、准谐振反激原理

1. 降低开关损耗

与传统的固定频率反激转换器相比，准谐振反激（QR Flyback）通过控制初级MOSFET的导通时间，显著降低了开关损耗。在反激式转换器工作于不连续导通模式（DCM）时，初级MOSFET导通，能量存储在初级侧，电流上升；MOSFET关断后，变压器中的能量转移到次级侧电容。此时，初级电感中剩余的能量会与MOSFET的输出电容发生谐振。

在固定频率反激中，开关导通与MOSFET的漏源电压 (V{DS}) 无关，若在较高的 (V{DS}) 下开关，会产生较大的开关损耗 (E{oss})。而准谐振反激则会等待 (V{DS}) 降至最低时再导通MOSFET，根据公式 (P{sw{-}on}=0.5 f{sw} C{OSS} V{DS}^{2}) 可知，开关导通损耗与 (V{DS}) 的平方成正比，因此这种方式能大幅降低系统的开关损耗。

2. 减少电磁干扰

降低开关损耗的同时，准谐振反激还能减少开关能量，从而降低转换器产生的开关噪声，减少辐射和传导干扰。此外，800V CoolMOS™ P7技术允许提高反射电压，增加了DCM期间存储在磁化电感中的能量，使得开关能在更低的 (V{DS}) 电压下进行，进一步降低了开关损耗。同时，该MOSFET具有较低的栅极电荷 (Q{G}) 和输出电容 (C_{oss})，也有助于减少开关损耗。

三、ICE2QS03G控制器功能

ICE2QS03G是英飞凌科技开发的第二代准谐振反激控制器IC，适用于电视机、DVD播放器、机顶盒、上网本适配器、家庭音频和打印机等应用。它具有以下特点：

1. 最低振铃电压开关

该控制器能够在最低振铃电压下进行开关操作，提高了效率。

2. 轻载脉冲跳过功能

在轻载情况下，控制器会采用脉冲跳过技术，以实现宽负载范围内的最高效率。

其引脚功能如下：	Pin	Name	Description
1	Zero Crossing (ZC)	检测初级开关导通的最低谷底电压
2	Feedback (FB)	用于输出稳压的电压反馈
3	Current Sense (CS)	用于短路保护和电流模式控制的初级侧电流检测
4	Gate drive output (GATE)	MOSFET栅极驱动引脚
5	High Voltage (HV)	通过高压启动单元连接到母线电压进行初始启动
6	No Connect (NC)	无连接
7	Power supply (VCC)	正电源引脚
8	Ground (GND)	控制器接地引脚

四、800V CoolMOS™ P7优势

1. 性能与成本优化

与C3系列相比，800V CoolMOS™ P7在相同的 (R{DS(on)}) 下，成本更低，性能更优。由于其寄生元件 (C{oss}) 和 (Q{G}) 减小，开关损耗降低。特别是在较高的漏源开关电压和低输出功率时，由于输出寄生元件的改善，开关损耗的降低更为明显。这使得我们可以选择更高的 (R{DS(ON)}) 器件，进一步降低物料清单（BOM）成本，或者提高电源设计的功率密度。

2. 仿真模型助力设计

英飞凌网站提供了P7 800V MOSFET的PSpice模型，这些模型经过实际测量拟合，具有很高的精度。通过这些模型，我们可以更好地理解反激转换器初级MOSFET的功率损耗机制，优化设计。例如，通过模型分析可知，在高输入电压下，MOSFET的开关损耗是主要的损耗来源；而在低输入电压下，导通损耗 (R_{DS(ON)}) 占主导地位。

3. 不同封装热性能对比

在封装方面，DPAK MOSFET封装适用于低成本应用，如充电器和适配器。它的热性能略低于TO - 220 FullPAK（TO - 220FP），但封装成本更低，能够实现整体BOM成本的节约。同时，DPAK封装尺寸更小，有利于实现更高的功率密度设计，并且可以采用表面贴装技术（SMD）。

在英飞凌的45W适配器中，同时支持TO - 220FP和DPAK两种封装。在25°C环境温度下，对两种封装在120V和230V交流输入、满载（45W）的情况下进行了热性能测试。结果表明，DPAK封装的温度比FullPAK封装高，这主要是因为MOSFET安装在印刷电路板底部时会受到周围元件（如缓冲器和变压器）的加热影响。

Test conditions	IPD80R450P7 DPAK case temp. rise(°C)	IPA80R450P7 FullPAK case temp. rise(°C)	DPAK temp. increase from FullPAK(°C)
45 W, 120 V AC , 60 Hz	56.8°C	27.7°C	29.1°C
45 W, 230 V AC , 50 Hz	51.8°C	25.9°C	25.9°C

在实际应用中，如果选择DPAK封装，需要根据所需的环境工作条件，考虑增加铜面积或降低输出功率，以确保在最坏情况下有足够的热余量。

五、设计考虑因素

1. 800V MOSFET的优势

800V CoolMOS™ P7为充电器和适配器应用带来了诸多好处。其800V的击穿电压允许比600V或650V器件实现更高的母线电压、反射电压和缓冲器电压组合。通过提高反射电压和缓冲器电压，可以在保持较高击穿电压裕度的同时降低系统功率损耗。

在英飞凌的45W适配器设计中，与使用600V MOSFET的35W适配器相比，反射电压得到了提高。反射电压决定了准谐振反激转换器在DCM振铃期间开关导通的谷底电压，提高反射电压可以使振铃波形的谷底更低，从而使转换器在更低的 (V_{DS}) 电压下开关，减少系统的开关损耗，特别是在高输入电压（265V AC）下。

2. 缓冲器网络优化

同时，通过增加反射电压和降低缓冲器电阻的能量耗散，减少了初级侧RCD缓冲器网络电阻的功率损耗。这在轻负载运行时尤为明显，能够有效降低系统的整体损耗。

3. UVLO电路设计

欠压锁定（UVLO）电路用于在交流输入电压低于指定范围时关闭电源。该电路通过电压分压器电阻（R12、R13、R14和R17）检测TL431的REF引脚电压，Q2作为开关控制FB引脚电压，实现进入或退出UVLO模式。Q3和R17则为UVLO电路提供电压迟滞，U2（TL431）作为比较器。

通过计算，“进入UVLO”阈值设置为77.8V DC，以允许母线电容电压在90V AC满载运行时下降一定幅度，同时避免误触发。当输入电压回到正常范围， (V{REF}) 升高到2.5V， (V{cc}) 达到18V时，UVLO模式解除。

六、演示板特性与规格

1. 规格参数

Section	Parameter	Specification
Input ratings	Input voltage	90 V AC – 265 V AC
	Input frequency	47 Hz – 63 Hz
	Input current at 100 V AC , 45 W	0.82 A maximum
	Power factor	0.55 @100 V AC 0.37 @265 V AC
	Peak efficiency 230 V AC , 45 W	91.4%
	Peak efficiency 120 V AC , 45 W	89.3%
	Surge	2 kV IEC61000-4-5
Output ratings	Nominal output voltage	19.0 V
	Tolerance	2%
	Output current	2.4 A
	Output power	45 W
	Line regulation	0.5%
	Load regulation	0.5%
	Output ripple	100 mV PP
	Quiescent power draw	42 mW @100 V AC 94 mW @265 V AC
	Switching frequency	25 – 60 kHz
Mechanical	Dimensions	Length: 10.0 cm (3.94 in.) Width: 3.7 cm (1.46 in.) Height: 2.6 cm (1.02 in.)
Environmental	Ambient operating temperature	-25°C to 50°C

2. 保护功能

该演示板具备多种保护功能，确保了电源的可靠性和稳定性：

• 折返点保护：通过根据母线电压调整 (V_{CS}) 电压限制，避免在输出过功率情况下增加变压器和输出二极管的成本。
• (V_{CC}) 过压和欠压保护：在正常运行时，持续监测 (V_{CC}) 电压，当电压超出范围时，IC进入自动重启模式。
• 过载/开环保护：在控制环开路、二次侧短路或过载时，反馈电压会被拉高，IC进入自动重启模式。
• 可调输出过压保护：在功率开关关断期间，监测零交叉引脚ZC的电压，若超过预设阈值3.7V持续100μs，IC锁定关闭。
• 过温保护自动重启：当控制器温度达到140°C时，IC关闭开关并进入自动重启模式，保护功率MOSFET免受过温损坏。
• 短路绕组保护：通过外部电阻R15和R16检测MOSFET的源极电流，若电流检测引脚电压在功率开关导通期间超过预设阈值1.68V，IC锁定关闭，同时内置190ns的尖峰抑制时间，避免误触发。

七、测试结果

1. 效率测试

在不同的输入电压和负载条件下，对45W适配器的效率进行了测试，并与英飞凌的35W适配器进行了对比。结果表明，采用IPA80R450P7的45W适配器在230V AC和120V AC输入时，效率均高于使用IPD60R600P6的35W适配器，显示出更好的性能。

2. 正常运行测试

在低输入电压（100V AC）和高输入电压（265V AC）无负载情况下，ICE2QS03G控制器均工作在突发模式，每33.8ms出现一次脉冲序列，主开关在脉冲序列之间处于非激活状态，以降低轻载功耗。在满载（45W）情况下，记录了初级MOSFET Q1的 (V{DS})、 (I{DS}) 和 (V_{GS}) 波形，确定了正常运行时的最坏情况峰值电流和峰值漏源电压。

3. 浪涌测试

为确保电源在异常线路条件下的可靠性，对45W电源进行了2kV EN61000浪涌测试。测试结果显示，在满载（45W）运行时，Q1的 (V_{DS}) 最高达到704V，在最坏情况下仍有96V的裕度，表明该电源能够承受浪涌冲击。

4. 热性能测试

在不同的交流输入电压和满载条件下，对演示板的热性能进行了测试。结果表明，在较低的输入电压下，由于初级侧电流较大，线路滤波器和桥式整流器温度较高；而在230V输入时，由于初级侧峰值电流降低，初级MOSFET（Q1）温度较低。

八、总结

英飞凌的这款45W适配器演示板，结合了800V CoolMOS™ P7和ICE2QS03G准谐振PWM控制器，在开关损耗性能上相比800V C3 MOSFET有了显著提升。从600V器件切换到800V器件，通过提高反射电压和缓冲器电压，进一步降低了转换器的损耗，同时增加了MOSFET漏源电压的裕度，提高了整体系统效率，降低了BOM成本。

此外，800V CoolMOS™ P7在DPAK封装中提供了低至280mΩ的 (R_{DS(ON)})，比最接近的800V MOSFET竞争对手低50%以上，为高功率密度设计、BOM成本节约和低组装成本提供了可能。对于电源设计工程师来说，这款演示板无疑是一个值得深入研究和借鉴的优秀案例。大家在实际设计中，是否也会考虑采用类似的方案呢？欢迎在评论区分享你的想法。