Microsoft Word - EVALQRC-ICE2QR W5V-V

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磐智陆
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1 ,V1.1, AN - EVALQRC - ICE2QR4765 带准谐振 CoolSET ICE2QR4765 的 12 W 5 V 评估板电源管理与供电思想永不停歇

2 由 Infineon Technologies AG 出版 Munich, Germany 2007 Infineon Technologies AG 保留所有权利法律免责声明在任何情况下均不得将本文件所提供的信息视为对条件或特征的担保英飞凌科技公司特此声明, 对本文中所提及的任何示例或提示任何典型数值和 / 或任何与设备应用相关的信息, 不作任何及所有形式的担保或承担任何及所有形式的责任 ( 包括但不限于对不侵犯任何第三方知识产权的担保 ) 为方便客户浏览, 英飞凌以下所提供的将是有关英飞凌产品及服务资料的中文翻译版本该中文翻译版本仅供参考, 并不可作为任何论点之依据虽然我们尽力提供与英文版本含义一样清楚的中文翻译版本, 但因语言翻译和转换过程中的差异, 可能存在不尽相同之处因此, 我们同时提供该中文翻译版本的英文版本供您阅读, 请参见 12W 5V evaluation board using ICE2QR4765 并且, 我们在此提醒客户, 针对同样的英飞凌产品及服务, 我们提供更加丰富和详细的英文资料可供客户参考使用请详见 ICE2QR4765 客户理解并且同意, 英飞凌毋须为任何人士由于其在翻译原来的英文版本成为该等中文翻译版本的过程中可能存在的任何不完整或者不准确而产生的全部或者部分任何直接或者间接损失或损害负责英飞凌对于中文翻译版本之完整与正确性不担负任何责任英文版本与中文翻译版本之间若有任何歧异, 以英文版本为准, 且仅认可英文版本为正式文件您如果使用以下提供的资料, 则说明您同意并将遵循上述说明如果您不同意上述说明, 请不要使用本资料信息有关技术交货条款及条件和价格的更多信息, 请与您最近的英飞凌科技公司办事处 ( 联系警告由于技术要求, 元件可能含有危险物质如需相关型号的信息, 请与距离您最近的英飞凌科技公司办事处联系如果可能合理地预期此类元件的故障会导致生命支持设备或系统发生故障或影响该设备或系统的安全性或有效性, 则英飞凌科技公司提供的元件仅可用于获得英飞凌科技公司明确书面批准的生命支持设备或系统生命支持设备或系统的目的是植入人体或支持和 / 或保持并维持和 / 或保护生命如果出现故障, 则可能危及使用者或他人的健康

3 标题修订历史 : V1.1 先前版本 : V1.0 页码变更内容 ( 自上次修订后的主要变更 ) 13 修改类型带准谐振 CooLSET ICE2QR4765 的 12 W 5 V 评估板英飞凌科技亚太私人有限公司 (Infineon Technologies Asia Pacific Pte Ltd) 许可 AN-PS0045 Eric Kok eric.kok@infineon.com Wang Zan Zan.wang@infineon.com He Yi Yi.he@infineon.com Jeoh Meng kiat Mengkiat.jeoh@infineon.com 欢迎您提出宝贵意见如果您认为本文档中有任何信息有误模棱两可或完全缺失, 请告知我们您的反馈将帮助我们不断提高本文档的质量请将您的建议 ( 请注明在本文档中的出处 ) 发送至 : comments@infineon.com

4 目录 1 简介评估板特性一览技术规格电路说明电源输入与整流集成 MOSFET 和 PWM 控制缓冲网络输出级反馈回路电路运行启动运行正常模式运行初级侧峰值电流控制频率数字减小突发模式运行保护功能 Vcc 欠压和过压保护折返点保护开环 / 过载保护可调输出过压保护短绕组保护过热保护的自动重启电路图 PCB 顶层 PCB 底层元件表变压器结构测试结果效率和待机性能波形和示波器波形曲线图在 85Vac 和 12W 负载下启动在不同过零点工作负载瞬态响应满载期间的交流输出纹波突发模式运行参考资料

1 简介本描述的是使用 ICE2QR4765 准谐振 CoolSET 且采用准谐振反激式变换器拓扑设计的 12 W 开关模式电源评估板 ICE2QR4765 的目标应用是机顶盒便携式游戏控制器 DVD 播放器上网本适配器和 LCD TV 辅助电源等通过在此 IC 中集成 CoolMOS 可以大大简化 PCB 的设计和布局由于谷底开关, 导通电压下降,

5 1 简介本描述的是使用 ICE2QR4765 准谐振 CoolSET 且采用准谐振反激式变换器拓扑设计的 12 W 开关模式电源评估板 ICE2QR4765 的目标应用是机顶盒便携式游戏控制器 DVD 播放器上网本适配器和 LCD TV 辅助电源等通过在此 IC 中集成 CoolMOS 可以大大简化 PCB 的设计和布局由于谷底开关, 导通电压下降, 从而实现比硬开关反激式变换器更高的转换效率通过 DCM 模式控制, 可以减轻次级整流二极管的反向恢复问题对于电源电压下的固有频率抖动,EMI 性能更佳英飞凌的数字频率下降技术在负载极低时仍可实现实现准谐振工作因此与仅在轻载情况下执行最大开关频率限制的传统自由运行准谐振变换器相比, 系统效率在整个负载范围均得到显著提高此外,ICE2QR4765 中实施的许多可调节的保护功能可保护系统并针对所选应用对 IC 进行定制在失效模式下, 比如控制回路开路 / 过载输出过压和变压器短绕组, 器件会切换为自动重启模式或锁闭模式通过逐周期峰值电流限制和折返点校正, 可同时优化变压器尺寸和次级二极管的额定电流因此可以轻松实现具有成本效益的解决方案 2 评估板图 1-EVALQR-12W-ICE2QR 特性一览带内置耗尽型启动元件的 650V 耐雪崩 CoolMOS 准谐振工作数字频率随负载减小而下降通过折返点校正实现逐周期电流限制内置数字软启动通过内部前沿消隐时间实现直流感测 VCC 欠压保护 :IC 停止工作, 通过软启动恢复 VCC 过压保护 :IC 停止工作, 通过软启动恢复开环 / 过载保护 : 自动重启输出过压保护 : 通过可调节阈值进行锁闭短绕组保护 : 锁闭过热保护 : 自动重启 5

6 4 技术规格输入电压 85Vac~265Vac 输入频率 50Hz, 60Hz 输出电压和电流 5V 2.4A 输出功率 12W 效率满载时 > 78% 待机功率空载时 <100mW 满载时最低开关频率, 65kHz 最低输入电压 5 电路说明 5.1 电源输入与整流交流电源输入侧通过输入熔断器 F1 实现过流保护 X2 电容器 C1 和扼流圈 L1 形成主滤波器, 通过此滤波器将 RFI 向主电源的反馈减少到最低限度在桥式整流器 BR1 之后, 和滤波电容器 C2 一起提供 70 VDC 至 380 VDC 的电压, 具体取决于电源输入电压 5.2 集成 MOSFET 和 PWM 控制 ICE2QR4765 包含一个功率 MOSFET 和准谐振控制器 ; 这种集成解决方案可大大简化电路布局并降低 PCB 制造成本是否开启 PWM 取决于过零输入信号和加减计数器的值是否关闭 PWM 则取决于反馈信号 V FB 和电流感测信号 V CS ICE2QR4765 还可执行反激式变换器中的所有必需保护功能. 数据手册中提供了关于上述内容的详细信息 5.3 缓冲网络缓冲网络 R1 C3 和 D1 可散耗漏电感的能量并抑制 SMPS 变压器上的响铃 5.4 输出级在次级侧,5V 输出, 通过肖特基二极管 D21 将功率耦合出来电容器 C21 提供能量缓冲, 然后通过 L-C 滤波电路 L21 和 C22 减小输出纹波, 并显著防止 SMPS 开关频率和电源频率之间产生干扰设计储能电容器 C21 时, 必须使其内部电阻 (ESR) 尽可能地小这样可以将三角波电流引起的输出电压纹波减小到最低限度 5.5 反馈回路对于反馈回路, 通过分压器 Rc1 和 Rc3 感测输出端, 并比较输出端与 TL431 的内部基准电压 Cc1 Cc2 和 Rc4 组成补偿网络通过光耦合器 IC2 和两个电阻器 Rc5 Rc6 将 TL431 的输出电压转变为电流信号, 以进行调节控制 6

7 6 电路运行 6.1 启动运行 ICE2QR4765 内置有启动元件, 因此不需要外部启动电阻器, 这样可大大提高待机性能当 VCC 达到导通电压阈值 18V 时,IC 开始软启动在 ICE2QR4765 中执行的软启动是一种基于时间的数字功能预设软启动时间为 12ms, 通过 4 步实现在不受其它功能限制的前提下,CS 引脚的峰值电压将从 0.32 V 逐步升高, 最终达到 1 V IC 导通后, 通过变压器的辅助绕组提供 Vcc 电压 6.2 正常模式运行启动后建立次级输出电压. 通过 TL431 和光耦合器实现次级调节控制补偿网络 Cc1 Cc2 和 Rc4 构成 TL431 的误差放大器的外部电路. 此电路可在不断变化的负载条件下对反馈进行精确控制, 从而实现稳定控制 6.3 初级侧峰值电流控制通过外部电阻器 R4 和 R4A 感测 MOSFET 的漏源电流 ICE2QR4765 是一种电流型控制器, 因此它具有一种逐周期初级电流和反馈电压控制, 通过这种控制可以确保变换器的最大功率在每一个开关周期都得到控制 6.4 频率数字减小在正常工作中,ICE2QR4765 的开关频率数字随着负载的减小而减小在轻载情况下,MOSFET 不会在第一个最低漏源电压时间处导通, 而是在第 n 个导通计数器的范围为 1 到 7, 具体取决于时基中的反馈电压当所需输出功率减小时, 反馈电压下降, 反之亦然因此, 可通过监测电压 V FB 设定计数器计数器将随着 V FB 的下降而增大, 随着 V FB. 的升高而减小在 IC 内预设阈值 6.5 突发模式运行在轻载情况下,SMPS 进入主动突发模式在此阶段, 控制器始终活跃, 但 Vcc 必须保持在关断阈值以上在主动突发模式期间, 效率显著提高, 同时支持 V out 下的低纹波和对负载跳变的快速响应为了确定是否进入主动突发模式运行, 以下三个条件适用 : 反馈电压低于 V FBEB (1.25V) 的阈值相应地, 分流电阻器两端的峰值电流感测电压为 0.18V; 加减计数器为 7; 一定的消隐时间 (t BEB ) 一旦满足所有这些条件, 则会设定主动突发模式触发器, 且控制器进入突发模式运行用多个条件确定是否进入主动突发模式运行可防止因误触发进入主动突发模式运行, 因此仅当输出功率在预设消隐时间内确实较低时, 控制器才会进入主动突发模式运行在主动突发模式期间, 最高电流感测电压从 1 V 下降到 0.34 V, 从而减小导通损耗和可听噪声在突发模式下, FB 电压呈锯齿状在 3.0 V 和 3.6 V 之间摆动如果存在较高负载跳变, 反馈电压立即升高通过一个比较器可以观察到此现象在主动突发模式中的电流限制为 34%, 因此需要一定的负载才能使反馈电压超过 VLB (4.5V) 离开主动突发模式后, 现在可以提供最大电流以稳定 V O 此外, 加减计数器将在离开主动突发模式后被立即设定为 1 这对降低输出电压欠冲很有帮助 7

8 7 保护功能 7.1 Vcc 欠压和过压保护在正常工作期间,VCC 电压被持续监测当 Vcc 电压降至欠压锁定水平 (VCCoff) 以下, 或者 Vcc 电压升高到 VCCovp 时, I C 将进入自动重启模式 7.2 折返点保护对于准谐振反激式变换器, 当在整个电源输入电压范围内采用恒定电流极限值时, 最大可能输出功率增大通常不希望这样, 因为这样会使输出过功率情况下的变压器和输出二极管成本增大实施内部折返保护以根据总线电压调节 Vcs 电压极限在这种情况下, 在 MOSFET 导通时间内使用流出 ZC 引脚的电流感测输入电源电压因此, 最大电流极限将在高输入电压情况下下降, 并且可以通过输入电压限制最大输出功率 7.3 开环 / 过载保护在控制回路开路的情况下, 反馈电压被拉高并从内部锁定经过一段固定的消隐时间 30 ms 后,IC 进入自动重启模式. 在次级短路或过载情况下, 调节电压 V FB 也将被拉高, 此时运用相同保护功能,IC 将自动重启 7.4 可调输出过压保护在电源开关关断期间, 对过零引脚 ZC 处的电压进行监测以进行输出过压检测如果在预设的 100 μs 时间段内, 电压超过预设阈值 3.7V,IC 被锁闭 7.5 短绕组保护通过两个并联的分流电阻器 R5 和 R5A 感测 MOSFET 的源电流如果在电源开关接通期间, 电流感测引脚处的电压高于 V CSSW 的预设阈值 1.68 V,IC 则锁闭这就是短绕组保护为了避免意外锁闭, 内部比较器的输出端集成了 190 ns 的尖峰消隐时间 7.6 过热保护的自动重启本 IC 具有内置过热保护功能当控制器的温度达到 140 C 时,IC 将关断开关并进入自动重启这样可以防止功率 MOSFET 过热 8

9 8 电路图图 2 示意图 9

10 8.1 PCB 顶层图 3 元件图例从顶层观察 10

11 8.2 PCB 底层图 4 焊接侧的铜箔从底层观察 11

12 9 元件表序号元件标号元件类型元件编号制造商 1 BR1 2KBB80R 2 C1 0.1uF/305V B32922C3104K000 Epcos 3 C13 0.1uF/50V RPER71H104K2K1A03B Murata 4 C2 47uF/400V B43504A9476M Epcos 5 C uF/25V 6 C22 220uF/25V 7 C3 2.2nF/630V 8 C4 1nF/250V,Y1 DE1E3KX102MA4BL01 Murata 9 C5 22uF/50V B41851A6226M000 Epcos 10 C6 0.1uF, SMD 11 C7 68pF 12 C8 1nF 13 Cc1 0.1uF RPER71H104K2K1A03B Murata 14 Cc2 1nF 15 D1 UF4005 UF4005 Vishay 16 D2 1N D21 IR90SQ F1 1.6A/250Vac 19 IC1 ICE2QR4765 ICE2QR4765 Infineon 20 IC2 SFH617A-3 21 IC3 TL L1 2 x 47mH, 0.4A B82731R2401A30 Epcos 23 L2 跳线 24 L21 1.5uH 25 R1 150k/2W 26 R2 2R, SMD 27 R3 6.8k, SMD 28 R4 1.5R 29 R4A 20R, SMD 30 R5 51k, SMD 31 Rc1 10k, SMD 32 Rc3 10k, SMD 33 Rc4 22k 34 Rc5 2.2K 35 Rc6 470R 36 TR1 Lp=707uH EF20/10/6, N87 Epcos 37 ZD1 22V 齐纳二极管表 1 元件表 12

13 10 变压器结构磁芯和材质 :EF20/10/6,EPCOS N87 骨架 : 卧式初级电感,Lp=707μH, 在引脚 5 和引脚 4 之间测定 ( 与电感留有间隙 ) 图 5 变压器结构图 6 完整变压器俯视图表 2 变压器绕组所用的线规起始结束匝数线号层数 XAWG#29 辅助 (15+15) 1XAWG#27 ½ 初级 XAWG#25 次级 (15+15) 1XAWG#27 ½ 初级 13

14 11 测试结果 11.1 效率和待机性能输入电压 (Vac) 输入功率 (W) Vo(V) Io(A) Po(W) 效率表 3 效率与负载的关系 % % % % % % % % 图 7 - 效率与交流电源电压图 8 待机输入功率与交流电源电压的关系 14

12 波形和示波器波形曲线图用 LeCroy 44Xi 示波器记录所有波形和示波器波形曲线图 12.

VCC 电源电压 ; Ch3 过零电压 ;Ch4 电流感测电压测试条件 : 输入电压 85Vac, 输出负载

2 在不同过零点工作图 11 在第一个 ZC 点工作 Ch1 漏源电压 ;Ch2 VCC 电源电压 ;

4A,85Vac 图 12 在第 7 个 ZC 点工作 Ch1 漏源电压 ;Ch2 VCC 电源电压 ;

15 12 波形和示波器波形曲线图用 LeCroy 44Xi 示波器记录所有波形和示波器波形曲线图 12.1 在 85Vac 和 12W 负载下启动图 9 启动过程中的恒定充电 VCC Ch1 漏源电压 ;Ch2 VCC 电源电压 ; Ch3 过零电压 ;Ch4 电流感测电压测试条件 : 输入电压 85Vac, 输出负载 2.4A 图 10 电流分 4 步软启动 Ch1 漏源电压 ;Ch2 VCC 电源电压 ; Ch3 过零电压 ;Ch4 电流感测电压测试条件 : 输入电压 85Vac, 输出负载 2.4A 12.2 在不同过零点工作图 11 在第一个 ZC 点工作 Ch1 漏源电压 ;Ch2 VCC 电源电压 ; Ch3 过零电压 ;Ch4 电流感测电压测试条件 :5V/2.4A,85Vac 图 12 在第 7 个 ZC 点工作 Ch1 漏源电压 ;Ch2 VCC 电源电压 ; Ch3 过零电压 ;Ch4 电流感测电压测试条件 :5V/0.5A,85Vac 15

16 12.3 负载瞬态响应图 13 交流输出纹波欠冲 Ch1 输出纹波电压, 每格 100mv Ch4 输出电流用去耦电容器 0.1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :0 A 至 2.4 A 图 14 交流输出纹波过冲 Ch1 输出纹波电压, 每格 110mv Ch4 输出电流用去耦电容器 0.1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :2.4 A 至 0 A 12.4 满载期间的交流输出纹波图 Vac 输入下的交流输出纹波 Ch1 输出纹波电压, 每格 20 mv 用去耦电容器 0.1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :85 V 5 V/2.4 A 图 Vac 输入下的交流输出纹波 Ch1 输出纹波电压, 每格 20 mv 用去耦电容器 0.1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :265 V 5 V/2.4 A 16

12.5 突发模式运行图 17 进入突发模式 Ch1 漏源电压 ;Ch2 电源电压 VCC ; Ch3 反馈电压 Vfb;Ch4 电流感测电压测试条件 : 在 85Vac 电源电压下, 电流从 2.

1 A 图 18 离开突发模式 Ch1 漏源电压 ;Ch2 电源电压 VCC ; Ch3 反馈电压 Vfb;Ch4 电流感测电压测试条件 : 在 85Vac 电源电压下, 电流从 0 A 跳变到 2.

1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :85V 交流电源,5 V/0.

1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :265 V 交流电源,5 V/0.

17 12.5 突发模式运行图 17 进入突发模式 Ch1 漏源电压 ;Ch2 电源电压 VCC ; Ch3 反馈电压 Vfb;Ch4 电流感测电压测试条件 : 在 85Vac 电源电压下, 电流从 2.4 A 跳变到 0.1 A 图 18 离开突发模式 Ch1 漏源电压 ;Ch2 电源电压 VCC ; Ch3 反馈电压 Vfb;Ch4 电流感测电压测试条件 : 在 85Vac 电源电压下, 电流从 0 A 跳变到 2.4 A 图 Vac 期间的交流输出纹波 Ch1 交流输出纹波 50mV/ 格 ;Ch2 电源电压 VCC; Ch3 反馈电压 Vfb;Ch4 电流感测电压用去耦电容器 0.1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :85V 交流电源,5 V/0.1 A 图 Vac 期间的交流输出纹波 Ch1 交流输出纹波 50mV/ 格 ;Ch2 电源电压 VCC; Ch3 反馈电压 Vfb;Ch4 电流感测电压用去耦电容器 0.1uF+10uF 测定, 示波器带宽 20MHz 测试条件 :265 V 交流电源,5 V/0.1 A 13 参考资料 [1] ICE2QR4765 数据手册,Infineon Technologies AG,2009 [2] ICE2QRxx65/80x 准谐振 CoolSET 设计指南, 英飞凌科技公司,2010 [AN- PS0053] [3] 使用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS01 的反激式变换器设计技巧, 英飞凌科技公司,2006 [ANPS0005] [4] 使用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS01 设计变换器,, 英飞凌科技公司,2006 [ANPS0003] [5] 确定用 ICE2QS01 设计的准谐振反激式变换器的开关频率, 英飞凌科技公司,2006 [ANPS0004] 17

Microsoft Word - ANP0065-ICE3B0565J-12W5VSMPS.doc

Microsoft Word - ANP0065-ICE3B0565J-12W5VSMPS.doc 应用说明,V1. 0,2005 年 9 月 AN-EVALSF3-ICE3B0565J 使用 C o o l S E T T M F 3 I C E 3 B 0 5 6 5 J 的 12W 5. 0 V S M P S 评估板电源管理与供电思想永不停歇版本 2005 年 9 月 26 日由 Infineon Technologies Asia Pacific 出版 168 Kallang Way,