40W适配器演示板：700V CoolMOS™ P7与ICE2QS03G的完美结合

在电源设计领域，不断追求更高的效率、更低的损耗以及更强的稳定性是工程师们永恒的目标。今天，我们就来深入探讨一款基于新的700V CoolMOS™ P7和ICE2QS03G准谐振PWM控制器的40W适配器演示板，看看它能为我们带来哪些惊喜。

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一、演示板概述

这款40W适配器演示板旨在为充电器和适配器应用提供一个形式、适配性和功能测试平台，展示700V CoolMOS™ P7的运行情况以及整体控制器设计。它采用准谐振反激拓扑，能够有效改善开关损耗，实现更高的功率密度设计，并降低辐射和传导干扰。

二、准谐振反激变换器原理

（一）传统反激变换器的问题

传统固定频率反激变换器在开关过程中会产生较大的开关损耗，特别是当开关在较高的漏源电压 (V_{DS}) 下进行时，会导致更多的 (Eoss) 损耗。

（二）准谐振反激变换器的优势

准谐振（QR）反激变换器通过控制初级MOSFET的导通时间，降低了开关损耗。在反激变换器工作于不连续导通模式（DCM）时，能量先存储在初级侧，当初级MOSFET导通时，初级电流上升；MOSFET关断后，变压器中的能量转移到次级侧电容。初级电感中剩余的能量会与MOSFET的输出电容谐振。QR反激变换器会等待 (V_{DS}) 电压达到最小值时再导通MOSFET，从而降低了系统的开关损耗，同时减少了开关噪声和辐射、传导干扰。

（三）700V CoolMOS™ P7的作用

700V CoolMOS™ P7技术具有较低的输出电容 (C_{oss}) ，有助于减少器件在导通时的损耗，进一步提升了QR反激变换器的性能。

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、DVD播放器、机顶盒、上网本适配器、家庭音频和打印机等应用。它能够在最低振铃电压下进行开关操作，并在轻载时采用脉冲跳过技术，以在宽负载范围内实现最高效率。其引脚功能如下：	引脚名称	描述
1 Zero Crossing (ZC)	检测初级开关导通的最小谷值电压
2 Feedback (FB)	用于输出调节的电压反馈
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以进行初始启动
6 No Connect (NC)	无连接
7 Power supply (VCC)	集成电路的正电源
8 Ground (GND)	控制器接地

四、700V CoolMOS™ P7的优势

（一）电压优势

与600V和650V的MOSFET相比，700V CoolMOS™ P7具有更高的击穿电压，可用于提高设计效率、增加允许的交流输入电压或增强设计的浪涌能力。它能够承受更高的母线电压、反射电压和缓冲电压组合，从而降低变换器的开关损耗。同时，额外的电压裕量还能使母线电压超过典型的265V高压线。

（二）开关性能优势

P7系列器件在开关性能上优于现有的英飞凌和竞争对手的器件。其 (Eoss) 损耗更低，特别是在较高的交流输入电压下，输出电容储能方面表现更出色。英飞凌网站提供了P7 700V MOSFET的SPICE模型，可用于更好地理解反激变换器初级MOSFET的功率损耗机制，优化设计。

五、设计考量

（一）700V MOSFET与设计变更

从英飞凌35W适配器设计（使用600V C6 MOSFET）到基于700V CoolMOS™ P7的40W适配器设计，进行了一系列重要变更。将反激MOSFET从CoolMOS™ C6系列更换为P7 700V IPA70R600P7S，在相同的 (R_{DS(on)}) 下，改善了MOSFET的开关特性。通过略微降低反射电压和增加缓冲钳位电压，将峰值漏源电压从526V提高到560V，同时降低了缓冲能量损耗，提高了40W适配器在高压线和轻载时的效率。此外，还更换了输出二极管，降低了满载功率损耗。

（二）热性能改善

在稳态运行下，系统的最坏情况热条件发生在100V (100 ~V_{AC}) 和满载输出功率（40W）时。使用P7 700V MOSFET的40W适配器在效率上有所提高，模具化合物温度降低了2.9 °C，有助于提高功率密度或改善设计的热裕量。

（三）欠压锁定（UVLO）电路

UVLO电路用于在交流输入电压低于指定范围时关闭电源。通过电压分压器电阻检测U2（TL431）的REF引脚电压，Q2作为开关控制FB引脚电压，Q3和R17提供电压滞后，U2作为比较器。系统根据输入电压进入或退出UVLO模式，“进入UVLO”阈值设置为77.8 (77.8 V{DC}) ，以避免在满载运行时低于90V (90 ~V{AC}) 时误触发。

六、演示板详细信息

（一）规格参数

项目	规格
输入额定值	输入电压：90VAC - 265VAC；输入频率：47Hz - 63Hz；100VAC、40W时输入电流最大0.85A；功率因数：100VAC时0.53，265VAC时0.36；峰值效率：230VAC、40W时91.3%，120VAC、40W时89.6%；浪涌：2kV IEC61000 - 4 - 5
输出额定值	标称输出电压：19.0V；公差：2%；输出电流：2.10A；输出功率：40W；线性调整率：0.5%；负载调整率：0.5%；输出纹波：<200mVPP；静态功耗：100VAC时55mW，265VAC时111mW；开关频率：25kHz - 60kHz
机械尺寸	长度：10.0cm（3.94英寸）；高度：2.6cm（1.02英寸）；宽度：3.7cm（1.46英寸）
环境条件	环境工作温度：-25°C至50°C

（二）功能特点

演示板具有多种保护功能，包括折返点保护、 (V_{cc}) 过压和欠压保护、过载/开环保护、可调输出过压保护、过热保护自动重启和短绕组保护等，确保了适配器的可靠性和稳定性。

（三）原理图、BOM和PCB布局

文档提供了40W适配器的原理图、详细的物料清单（BOM）以及PCB布局图。其中，英飞凌的组件在BOM中以粗体显示。PCB使用Altium Designer 16设计，原理图和板文件可按需提供。

（四）变压器构造

变压器由I.C.E. Transformers制造，采用RM10磁芯，3C95磁芯材料，8引脚RM10垂直骨架。初级电感为1500µH，漏电感小于25µH。文档还详细描述了变压器的绕组堆叠方式和制作工艺。

七、测量结果

（一）高低线运行情况

在高线（265 (V{AC}) ）无负载时，ICE2QS03G以突发模式运行，以最小化空闲功耗，突发模式脉冲序列每33.8ms发生一次。在低线（100 (V{AC}) ）满载（40W）时，初级MOSFET Q1的峰值电流为1.3A，为电源最大电流限制（1.6A）留出了裕量。在高线（265 (V_{AC}) ）满载（40W）时，最坏情况下的漏源电压为599V，仍有14.4%的MOSFET击穿电压裕量。

八、总结

CoolMOS™ P7系列MOSFET为反激应用提供了最佳解决方案。与英飞凌CoolMOS™ P6和竞争对手的器件相比，在120 (V{AC}) 和轻载（5W）时效率提高了2.0%，在230VAC时提高了0.3%；在35W时，高低线效率均提高了0.1%。P7 700V MOSFET的效率提升还带来了热性能的改善，在100V (100 ~V{AC}) 和满载运行时温度降低了2.9 °C。其700V的击穿电压提供了额外的安全裕量，增强了浪涌鲁棒性。这些改进使得35W适配器设计能够在相同的 (RDS(on)) 值下提升到40W。相信这些优势能够为其他充电器和适配器设计带来新的思路和解决方案，各位工程师们不妨在实际项目中尝试一下。

参考文献

[1] Design Guide for QR Flyback Converter [2] IPA70R600P7S data sheet, 700 V CoolMOS™ P7 Power Transistor [3] 700 V CoolMOS P7™ Application Note [4] ICE2QS03G data sheet, Infineon Technologies AG [5] 2N7002 data sheet, Infineon Technologies AG [6] BAS21 - 03W data sheet, Infineon Technologies AG [7] ICE2QS03G design guide. [ANPS0027] [8] Converter Design Using the Quasi - Resonant PWM Controller ICE2QS03, Infineon Technologies AG, 2006. [ANPS0003]