20W 5V SMPS评估板：准谐振CoolSET™ ICE2QR2280G - 1的魅力展现

在电子工程师的日常工作中，开关电源（SMPS）的设计是一个重要且富有挑战性的领域。今天，我们就来深入探讨一下英飞凌（Infineon）的20W 5V SMPS评估板，它采用了准谐振CoolSET™ ICE2QR2280G - 1，为我们带来了高效、低待机功耗和可靠的电源解决方案。

文件下载：EVAL2QR2280G1TOBO1.pdf

评估板概述

这个评估板主要是为了评估ICE2QR2280G - 1的性能而设计的。它适用于多种小功率电源应用，如蓝光播放器、DVD播放器、机顶盒、游戏机、智能电表、充电器以及LED电视等大功率系统的辅助电源。该评估板文档包含了特性列表、电源规格、原理图、物料清单和变压器构造文档等内容，还在报告末尾展示了典型的工作特性，如性能曲线和示波器波形。

评估板规格

输入输出参数

• 输入电压：85VAC ~ 265VAC，具有很宽的输入电压范围，适应不同的电源环境。
• 输入频率：50 ~ 60Hz，能兼容常见的电源频率。
• 输出电压、电流和功率：5V，4A，20W，满足一般小功率设备的供电需求。
• 满载和最小输入交流电压下的最小开关频率：65kHz。
• 空载功耗：< 50mW，体现了其低功耗的特性。
• 有源模式四点平均效率（25%、50%、75%和100%负载）：在115VAC和230VAC下均 > 80%，效率表现出色。

ICE2QR2280G - 1的特性

强大的硬件集成

• 800V雪崩耐用CoolMOS™：内置启动单元，简化了电路设计，减少了外部元件的使用。

  高效的工作模式

• 准谐振操作：能在极低负载下保持准谐振运行，降低开关损耗，提高转换效率。
• 有源突发模式操作：实现低待机输入功率（< 0.1W），进一步降低功耗。
• 数字频率降低：随着负载的降低，数字频率相应降低，减少开关损耗。

  可靠的保护机制

• 内置数字软启动：避免启动时的电流冲击，保护电路元件。
• 折返点校正、逐周期峰值电流限制和最大导通时间限制：确保电路在各种工况下的稳定运行。
• 自动重启模式：用于VCC过压保护、欠压保护、过载保护和过温保护，提高系统的可靠性。
• 锁存关闭模式：用于可调输出过压保护和变压器短路绕组保护，增强系统的安全性。
• 较低的VCC关断阈值：能更灵敏地响应异常情况。

电路详细解析

市电输入整流和滤波

交流输入侧有输入保险丝F1作为过流保护。X2电容C1和扼流圈L1构成主滤波器，减少射频干扰（RFI）反馈到主电源。经过桥式整流器BR1和滤波电容C2后，根据市电输入电压提供70V至380VDC的电压。

集成MOSFET和PWM控制

ICE2QR2280G - 1集成了功率MOSFET和准谐振控制器，大大简化了电路布局，降低了PCB制造成本。PWM的开启由过零输入信号和上下计数器的值决定，关闭由反馈信号VFB和电流传感信号VCS决定。同时，它还具备反激式转换器所需的所有保护功能。

输出级

在次级侧，通过肖特基二极管D21输出5V电压。电容C21和C22提供能量缓冲，L - C滤波器L21和C23减少输出纹波，防止开关电源开关频率和市电频率之间的干扰。存储电容C21和C22的内部电阻（ESR）设计得尽可能小，以减少三角电流引起的输出电压纹波。

反馈回路

输出电压通过Rc1和Rc3组成的分压器进行采样，并与TL431的内部参考电压进行比较。Cc1、Cc2和Rc4构成补偿网络。TL431的输出电压通过光耦合器IC2和两个电阻Rc5和Rc6转换为电流信号，用于调节控制。

电路工作模式

启动操作

ICE2QR2280G - 1内置启动单元，无需外部启动电阻，显著提高了待机性能。当VCC达到开启电压阈值18V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12ms，分4步进行。如果不受其他功能限制，CS引脚的峰值电压将从0.32V逐步增加到1V。IC开启后，VCC电压由变压器的辅助绕组提供。

正常模式操作

启动后，次级输出电压建立。采用TL431和光耦合器进行次级调节控制。补偿网络Cc1、Cc2和Rc4构成TL431误差放大器的外部电路，能根据动态变化的负载条件精确控制反馈，提供稳定的控制。

初级侧峰值电流控制

通过外部电阻R4和R4A感测MOSFET的漏源电流。由于ICE2QR2280G - 1是电流模式控制器，它能进行逐周期的初级电流和反馈电压控制，确保在每个开关周期内控制转换器的最大功率。

数字频率降低

在正常运行期间，ICE2QR2280G - 1的开关频率会随着负载的降低而数字式降低。在轻负载时，MOSFET不会在第一个最小漏源电压时刻开启，而是在第n个时刻开启。计数器范围为1到7，取决于基于时间的反馈电压。反馈电压随输出功率需求的降低而降低，反之亦然。因此，通过监测电压VFB来设置计数器，低VFB时计数器增加，高VFB时计数器减少，阈值在IC内部预设。

突发模式操作

在轻负载条件下，开关电源进入有源突发模式。此时，控制器始终处于活动状态，但VCC必须保持在关断阈值以上。在有源突发模式下，效率显著提高，同时支持输出电压Vout的低纹波和负载突变时的快速响应。进入有源突发模式需要满足三个条件：反馈电压低于VFBEB（1.25V），上下计数器为7，以及一定的消隐时间tBEB。一旦满足这些条件，有源突发模式触发器置位，控制器进入有源突发模式操作。在有源突发模式下，最大电流感测电压从1V降低到0.34V，以减少传导损耗和可听噪声。

保护特性

VCC过压和欠压保护

在正常运行期间，持续监测VCC电压。当VCC电压低于欠压锁定水平（Vcc, off）或升高到VCC, OWP时，IC将进入自动重启模式。

折返点保护

对于准谐振反激式转换器，在所有市电输入电压范围内使用恒定电流限制值会增加最大可能输出功率，这通常是不希望的，因为在输出过功率情况下会增加变压器和输出二极管的成本。内部折返保护根据母线电压调整VCS电压限制，通过在MOSFET导通期间感测从ZC引脚流出的电流来实现。结果是，在高输入电压下最大电流限制降低，最大输出功率相对于输入电压得到很好的限制。

开环/过载保护

在控制环路开路的情况下，反馈电压会被内部拉高。经过30ms的固定消隐时间后，IC进入自动重启模式。在次级短路或过载的情况下，调节电压VFB也会被拉高，同样应用保护，IC将自动重启。

可调输出过压保护

在功率开关关断期间，监测过零引脚ZC的电压以检测输出过压。如果电压在预设的100μs内高于预设阈值3.7V，IC将被锁存关闭。

短路绕组保护

通过两个并联的分流电阻R4和R4A感测MOSFET的源极电流。如果在功率开关导通期间电流传感引脚的电压高于预设阈值Vcssw（1.68V），IC将被锁存关闭。为避免意外锁存关闭，内部比较器的输出集成了190ns的尖峰消隐时间。

过温保护自动重启

IC内置过温保护功能。当控制器温度达到140°C时，IC将关闭开关并进入自动重启模式，保护功率MOSFET免受过热损坏。

测试结果

效率、调节和输出纹波

测试结果显示，在不同的输入电压和负载条件下，评估板都能保持较高的效率。例如，在115VAC和230VAC输入电压下，有源模式四点平均效率均 > 80%。同时，输出电压稳定在5V左右，输出纹波也得到了很好的控制。

待机功率

在空载情况下，待机功率随交流输入电压的变化曲线显示，待机功率较低，满足节能要求。

英飞凌的20W 5V SMPS评估板采用准谐振CoolSET™ ICE2QR2280G - 1，凭借其高效、低待机功耗和丰富的保护功能，为电子工程师提供了一个优秀的电源解决方案。在实际应用中，我们可以根据具体需求对电路进行优化和调整，以满足不同设备的供电要求。大家在设计类似电源时，不妨考虑一下这款评估板的设计思路和特点，说不定能为你的项目带来新的启发。你在电源设计中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。