44W、12V SMPS参考板：CoolSET™ ICE5AR0680BZS - 1的卓越应用

引言

在电源设计领域，如何实现高效、可靠且低成本的开关电源（SMPS）一直是工程师们追求的目标。今天要介绍的这款44W、12V SMPS参考板，采用了英飞凌最新的CoolSET™ 第五代固定频率加ICE5AR0680BZS - 1开关控制器，它在效率、待机功耗、保护功能等方面都有着出色的表现，适用于多种应用场景，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。

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参考板概述

规格参数

参考板的规格参数十分亮眼。输入电压范围宽达85VAC（60Hz） - 300VAC（50Hz），输出为12V、3.66A，功率可达44W。动态负载响应在12V负载从10%到100%变化时，仅为标称输出电压的 +3%。输出纹波电压在满载、85VAC - 300VAC输入时，12V纹波仅为100mVv。在115VAC和230VAC输入下，有源模式四点平均效率（25%、50%、75%、100%负载）均大于87%，空载功耗在300VAC时小于100mW。在电磁兼容性方面，传导发射（EN 55022 Class - B）测试中，115VAC输入时有8dB余量，230VAC输入时有6dB余量；ESD抗扰度（EN 61000 - 4 - 2）达到接触放电4级、空气放电3级；浪涌抗扰度（EN 61000 - 4 - 5）符合安装类别4（线间 +2kV、线地 +4kV）。

电路设计亮点

1. 线路输入与启动：交流输入侧通过输入保险丝（F1）进行过流保护，扼流圈（L11）、X电容（C11）和Y电容（CY1）作为EMI抑制器。可选的火花间隙装置（SA1和SA2）和压敏电阻（VAR）能在雷击浪涌测试时吸收高压应力。通过桥式整流器（BR1）和大容量电容（C13）得到120 - 424V DC的整流直流电压。ICE5AR0680BZS - 1开关控制器采用启动电阻和VCC对地短路保护实现快速安全启动。当VCC达到16V的导通电压阈值时，IC开始软启动，软启动为数字时间基函数，预设软启动时间为12ms，分四步进行，若不受其他功能限制，CS引脚的峰值电压将从0.3V逐步增加到0.8V。IC导通后，VCC电压由变压器的辅助绕组提供。
2. 集成CoolMOS™ MOSFET与频率降低控制：该控制器集成了CoolMOS™超结MOSFET和频率降低控制功能，能在轻载到50%负载条件下实现更好的效率。它可在不连续导通模式（DCM）或带频率降低模式的连续导通模式（CCM）下工作，本参考板设计为在CCM模式下运行，以提高低线满载条件下的效率。系统在最大功率运行时，控制器以100kHz的固定频率切换；为在轻载和中载之间实现更好的效率，采用了频率降低功能，最大频率降低后，最小开关频率为43kHz。
3. 频率抖动：ICE5AR0680BZS - 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，可有效降低EMI噪声。
4. RCD钳位电路：由R11、R11A、C15和D11组成的钳位网络，可消耗漏感能量，抑制SMPS变压器上的振铃。
5. 输出级：次级侧有一个12V的单输出，通过肖特基二极管（D21）耦合输出功率。电容（C22、C23和C23A）提供能量缓冲，随后的L - C滤波器（L21 - C24）可降低输出纹波，显著减少SMPS开关频率和线频率之间的干扰。存储电容（C22、C23和C23A）设计为具有尽可能低的内部电阻（ESR），以最小化三角电流引起的输出电压纹波。
6. 反馈回路：输出通过分压器（R26和R25）进行采样，与IC21（TL431）内部参考电压进行比较。电容和电阻（C25、C26和R24）构成补偿网络。IC21（TL431）的输出电压通过光耦合器IC12和两个电阻（R22和R23）转换为电流信号，用于调节控制。
7. 有源突发模式（ABM）：ABM的进入和退出功率有三种选择，本参考板设置为选项3。在轻载条件下，SMPS进入ABM运行，此时控制器始终处于活动状态，但保持VVCC高于关断阈值。在ABM期间，效率显著提高，同时支持Vout上的低纹波和负载突变时的快速响应。进入ABM运行需要满足两个条件：FB电压必须低于VFBB_EBXP阈值；需要一定的消隐时间（tFB_BEB = 36ms）。

保护功能

保护功能是确保系统安全可靠运行的关键。ICE5AR0680BZS - 1提供了全面的保护功能，包括VCC过压（OV）、欠压（UV）、过载、过温（控制器结温）以及VCC对地短路等。当检测到这些故障时，系统将进入保护模式，故障消除后，系统恢复正常运行。具体保护功能及故障条件如下表所示：	保护功能	故障条件	保护模式
Vcc OV	Vvcc > Vvcc_ovp	扩展周期跳过自动重启
Vcc UV	Vvcc < Vyccoff	自动重启
过载	VrB > Vrs_oup且持续tr_OLP_B	扩展周期跳过自动重启
过温	TJ > 140°C（40°C滞后）	非开关自动重启
Vec对地短路（Vvcc = 0V，Rstarup = 50MΩ且VORAN = 90V）	Vvcc < Vcc.scp，iccanea ≈ - 0.2mA	无法启动

测试结果

效率、调节和输出纹波

在不同输入电压和负载条件下，参考板的效率表现良好。例如，在115VAC、60Hz输入，25% - 100%负载范围内，平均效率达到87.07%；在230VAC、50Hz输入时，平均效率为87.75%。输出电压调节稳定，输出纹波电压在不同负载和输入电压下也能满足设计要求。

待机功率

在无负载情况下，不同交流输入电压下的待机功率较低，如在300VAC输入时，无负载功率消耗小于100mW。

线路调节和负载调节

线路调节和负载调节性能良好，能够在不同输入电压和输出功率变化时，保持输出电压的稳定。

最大输入功率

在过载保护前，不同交流输入电压下的最大输入功率也有相应的测试结果，为系统的设计和应用提供了参考。

浪涌抗扰度和传导发射

参考板通过了EN 61000 - 4 - 5浪涌抗扰度测试，符合安装类别4的要求。在传导发射测试中，通过了EN 55022（CISPR 22）Class - B标准，115VAC输入时有8dB余量，230VAC输入时有6dB余量。

热测量

在环境温度为25°C、满载运行一小时后，使用红外热成像相机（FLIRT62101）对参考板进行热测量。主要组件的温度在不同输入电压下都处于合理范围内，如IC11（ICE5AR0680BZS - 1）在85VAC输入时温度为85.3°C，在300VAC输入时为82.2°C。

总结

这款44W、12V SMPS参考板基于CoolSET™ ICE5AR0680BZS - 1开关控制器，在效率、保护功能、电磁兼容性等方面都有着出色的表现。其丰富的功能和良好的测试结果，为电源设计工程师提供了一个优秀的参考方案，无论是在白色家电、PC、服务器、电视的辅助电源，还是游戏机的封闭式适配器等应用中，都具有很大的应用潜力。各位工程师在实际设计中，可以根据具体需求对电路进行优化和调整，以实现更好的性能。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。