CHINESE version 20V 40W evaluation board using ICE2QR0665

应用说明,V1.2,2011 年 11 月 11 日
应用说明
AN- EVALQRC-ICE2QR0665
采用准谐振 CoolSET® ICE2QR0665 的
40W20V 评估板
电源管理与供电
从未停止思考。
出版
英飞凌科技有限公司
德国慕尼黑 81726 号
© 2007 英飞凌科技有限公司
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2011 年 11 月 11 日
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主题(自最后一次修订以来的重大变更)
13
绕线架名称和磁芯名称
采用准谐振 CooLSET® ICE2QR0665 的 40W 20V 评估板
授权给英飞凌科技(亚太)有限公司
Wang Zan
[email protected]
Mao Mingping
[email protected]
He Yi
[email protected]
Jeoh Meng kiat
[email protected]
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V1.2
AN-PS0035
EVALQRC-40W-ICE2QR0665
目录表
1
内容 .....................................................................................................................................................5
2
评估板 .................................................................................................................................................5
3
特性列表..............................................................................................................................................5
4
技术规格..............................................................................................................................................6
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
电路说明..............................................................................................................................................6
电源输入和整流................................................................................................................................... 6
集成 MOSFET 和 PWM 控制 .................................................................................................................. 6
缓冲网络.............................................................................................................................................. 6
输出级 ................................................................................................................................................. 6
反馈回路 ............................................................................................................................................. 6
6
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
电路操作..............................................................................................................................................7
启动操作.............................................................................................................................................. 7
正常模式操作 ...................................................................................................................................... 7
一次侧峰值电流控制 ........................................................................................................................... 7
数字降频.............................................................................................................................................. 7
突发模式操作 ...................................................................................................................................... 7
7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
保护特性 ............................................................................................................................................. 8
Vcc 欠压和过压保护 ............................................................................................................................ 8
返送点保护 .......................................................................................................................................... 8
开路/过载保护 .................................................................................................................................... 8
可调节输出过压保护 ........................................................................................................................... 8
绕组短路保护 ...................................................................................................................................... 8
超温保护的自动重启........................................................................................................................... 8
8
8.1
8.2
电路图 .................................................................................................................................................9
PCB 的顶层......................................................................................................................................... 10
PCB 的底层......................................................................................................................................... 11
9
组件表 ............................................................................................................................................... 12
10
变压器构造 ......................................................................................................................................... 13
11
11.1
11.2
试验结果............................................................................................................................................. 14
效率和待机性能 ................................................................................................................................ 14
电磁干扰(EMI)试验结果 ............................................................................................................... 15
12
参考文献............................................................................................................................................ 16
应用说明
4
2011 年 11 月 11 日
EVALQRC-40W-ICE2QR0665
1
内容
本应用说明是采用 ICE2QR0665 准谐振 CoolSET® 以准谐振反激变换器拓扑结构设计的 40W 开关模式电源评
估板的说明。ICE2QR0665 的目标应用是用于机顶盒、便携式游戏控制器、DVD 播放器、笔记本电脑适配
器、以及用于 LCD TV 的辅助电源等。 由于在此 IC 中集成有 CoolMOS ®,因此大大简化了 PCB 的设计和
布局。 由于在谷点开关,因此降低了接通电压,并且,与硬开关反激变换器相比,这能够提供更高的变换效
率。 采用 DCM 模式控制,减轻了二次整流二极管的反向恢复问题。 由于其随线电压有自然频率抖动,因
此 EMI 性能更好。 英飞凌的数字降频技术支持直到极低负载的准谐振工作能力。 因此,与仅通过在轻载时限
制最高开关频率而实现的常规自由振荡准谐振变换器相比,整个负载范围内的系统效率得到了显著改善。 另
外,在 ICE2QR0665 中实现了众多的可调保护功能,以保护系统,并为选定的应用定制 IC。 在故障模式中
(例如控制回路开路/过载、输出过压、以及变压器绕组短接等),设备会转入自动重启模式或栓锁模式。 利
用逐个周期的峰值电流限制及返送点校正,可以优化变压器的尺寸和二次侧二极管的额定电流。因此,能够轻
松实现经济高效的方案。
2
评估板
图 1 - EVALSQ-40W-ICE2QR0665
3
特性列表
业界首个具有 40W 最高输出功率的 DIP 8 封装 IC
®
带有内置耗尽启动电池的 650V 雪崩型耐用 CoolMOS
准谐振工作方式
数字降频,负载减小
逐个周期限制峰值电流和返送点校正
内置数字软启动
直流传感和内部前沿消隐时间
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:栓锁和可调阈值
绕组短接保护:栓锁
超温保护:自动重启
应用说明
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EVALQRC-40W-ICE2QR0665
4
技术规格
输入电压
输入频率
输出电压和电流
输出功率
效率
待机功率
满载、最低输入电压时最低开关频率
5
85Vac~265Vac
50Hz, 60Hz
20V 2A
40W
满载时 >86%
<[email protected]
40kHz
电路说明
5.1 电源输入和整流
交流线路输入侧包含输入熔断器 F1,用于过流保护。 X2 电容 C1、C2 和电抗 L1 构成主滤波器,以最大限度
地减小 RFI 向电源的反馈。 根据电源输入电压,桥式整流器 BR1 和其后的平滑电容 C3 提供 70VDC 至 380VDC
电压。 2.5Ω NTC 电阻与输入串联,每次在 C3 完全放电时的电源接通时限制初始峰值涌流。
5.2 集成 MOSFET 和 PWM 控制
ICE2QR0665 由功率 MOSFET 和准谐振控制器构成;集成方案大大简化了线路布局,并降低了 PCB 制造的
成本。 PWM 开启由过零输入信号和递增/递减计数器的值决定。 PWM 关断由反馈信号 VFB 和电流传感信号 VCS
决定。 ICE2QR0665 还在反激变换器中执行所有必要的保护功能。 上述信息的细节在产品数据表中示出。
5.3 缓冲网络
缓冲网络 R1、C4 和 D1 消散漏感的能量,并抑制 SMPS 变压器上的振铃。 由于谐振电容 C10 与 MOSFET
漏极-源极引脚并联,因此超调比固定频率反激变换器的值小。 因此,可以使用能够减少缓冲损耗的较大缓冲
电阻。
5.4 输出级
在二次侧为 20V 输出,输出功率通过双肖特基二极管 D3 耦合而出。电容 C11 和 C16 提供能量缓冲功能,后
面带有 L-C 滤波器 L2 和 C12,以减小输出纹波,并显著防止 SMPS 开关频率和线路频率之间的干扰。 存储
电容器 C11 和 C16 设计有尽可能小的内部电阻(ESR)。 这是为了最大限度地减小由三角形电流导致的输出
电压纹波。
5.5 反馈回路
对于反馈,输出由 R10、R11 和 R12 分压器感知,并与 TL431 内部参考电压比较。 C15、C15 和 R8 构成补
偿网络。 TL431 的输出电压通过光耦合器 IC2 以及用于调节控制的两个电阻 R6 和 R7 变换为电流信号。
应用说明
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EVALQRC-40W-ICE2QR0665
6
电路操作
6.1 启动操作
由于 ICE2QR0665 中有内置的启动电池,因此不需要外部启动电阻,这能够显著改善待机性能。
当 VCC 达到 18V 接通电压阈值时,IC 开始软起动。 在 ICE2QR0665 中实现的软启动是基于数字时间的功
能。 预设软启动时间为 12 毫秒,并且软启动通过 4 步完成。 若不受其它功能的限制,则 CSon 引脚的峰值电
压会逐步提高,从 0.32V 最终提高到 1V。 在 IC 接通后,Vcc 电压由变压器的辅助绕组提供。
6.2 正常模式操作
二次输出电压在启动后建立。 二次调节控制通过 TL431 和光耦合器实现。 补偿网络 C14、C15 和 R8 构成
TL431 的误差放大器的外部电路。此电路允许相对于动态变化的负载条件精确控制反馈,因而提供稳定的控
制。
6.3 一次侧峰值电流控制
MOSFET 漏极-源极电流通过外部电阻 R5 和 R5A 感知。 由于 ICE2QR0665 是电流模式控制器,因此它具有
逐个周期的一次电流和反馈电压控制能力,这能确保在每个开关周期中变换器的最高功率是受控的。
6.4 数字降频
在正常工作过程中,ICE2QR0665 的开关频率随着负载的减小以数字方式降低。 在轻载时,MOSFET 不在首
次最低漏极-源极电压时接通,而是在第 n 个最低漏极-源极电压时接通。 计数器的范围是 1 至 7,其具体数值
取决于反馈电压,并以时间为基础。 当输出功率需求降低时,反馈电压降低,反之亦然。 因此,计数器通过
监视电压 VFB 设置。 计数器随低 VFB 增大,随高 VFB 减小。 阈值预设在 IC 中。
6.5 突发模式操作
在轻载条件下,SMPS 进入主动突发模式。 在此阶段,控制器始终处于活跃状态,但是 Vcc 必须保持为高于
关断阈值。 在主动突发模式中,效率显著提高,同时它支持 Vout 上的低纹波和负载跳跃的快速响应。
确定是否进入主动突发模式工作状态有三个条件:
. 反馈电压低于 VFBEB 阈值(1.3V)。 相应地,并联电阻两段的峰值电流传感电压为 0.18;
. 递增/递减计数器为 7;
. 一定的消隐时间 (tBEB)。
当所有这些条件都满足时,主动突发模式触发器会被置位,控制器会进入主动突发模式工作状态。 这种进入
主动突发模式工作状态的多条件确定能防止误触发进入主动突发模式工作状态,确保在预设的消隐时间内只有
当输出功率确实很低时控制器才进入主动突发模式工作状态。
在主动突发模式中,最高电流传感电压从 1V 降低至 0.34V,以减少导通损耗和可闻噪音。 在突发模式时,FB
电压在 3.0 和 3.6 V 之间变为锯齿状。
若有很高的负载跳跃,则反馈电压立即升高。 这通过一个比较器来观测。 由于在主动突发模式中电流限值为
34%,因此需要一定的负载,以便使反馈电压能够超过 VLB(4.5V)。 在脱离主动突发模式后,可以提供最大
电流,以稳定 VO。 另外,在脱离主动突发模式后,递增/递减计数器会被立即设为 1。 这有助于减少输出电压
欠调。
应用说明
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保护特性
7.1 Vcc 欠压和过压保护
在正常工作时,会连续监测 VCC 电压。 当 Vcc 电压降到低于欠压锁定水平(VCCoff)或 Vcc 电压提高到
VCCovp 时,IC 会进入自动重启模式。
7.2 返送点保护
对于准谐振反激变换器,当为整个电源输入电压范围使用恒定的电流限值时,最大可能输出功率会提高。 这通常不
是所期望的,因为若输出高于功率条件会增加变压器的额外开销。
为此,实现了内部返送保护,以根据总线电压调节 VCS 电压限值。 在此,在 MOSFET 的导通时间内,使用流出
ZC 引脚的电流来感知输入线路电压。 结果是,在高输入电压时,最大电流限值降低,能够很好地相对于输入电压
限制最大输出功率。
7.3 开路/过载保护
若控制回路开路,则返送电压会通过内部功能块被拉起。 在 30 毫秒固定消隐时间后,IC 会进入自动重启模
式。 若二次侧短路或过压,则调节电压 VFB 也会被拉起,实施相同的保护,并且 IC 会自动重启。
7.4 可调节输出过压保护
在电源开关的关段时间内,会监测过零引脚 ZC 的电压,以实现输出过压检测。 对于 100μs 预设时间,若该电
压高于预设阈值 3.7V,则 IC 会被栓锁。
7.5 绕组短路保护
MOSFET 的源极电流通过两个并行连接的并联电阻 R5 和 R5A 感知。 若在电源开关的接通时间内电流传感引
脚的电压高于 1.68V 预设阈值 VCSSW ,则 IC 会被栓锁。 这构成一种绕组短路保护。 为了避免意外的栓锁,在
内部比较器的输出中集成有 190ns 尖峰消隐时间。
7.6 超温保护的自动重启
IC 具有内置的超温保护功能。 当控制器的温度达到 140℃ 时,IC 会关断开关,并进入自动重启。 这能够保
护功率 MOSFET,防止其过热。
应用说明
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电路图
8
C5 2. 2nF/2 50 V ,Y1
BR1
*S G 1
F1 1. 6A
C3
68 uF/4 00 V
TR 1
L
5
DF0 8M
85V - 265Vac
*VAR
S1 0K2 75 /R
C1
L1
2 x 3 9mH, 1 .4 A
R1
15 0k /2W
C2
0. 1uF/2 75 V
53 4u H
L2
1. 5uH
D3
D SP- 3 0 1 N -S 0 0 8
6
*L3
C4
2. 2nF/4 00 V
C11
3
*N T C
+
C16
C12 +
+
*C 1 7
0. 1u F/5 0V
47 0uF/ 25 V
N
D1
UF4 00 5
0. 22 uF/27 5V
D SP- 3 0 1 N -S 0 0 8
MBR20 H1 50 CT
4
10 00 uF/25V
10 00 uF/25V
8
COM
*S G 2
R5A
0. 82 R
R5
0. 82 R
C10
R 15
8. 2k
2
C6
47 pF/1kV
33 uF/3 5V
R10
43 k
D2
1
IC 1
3 CS
C8
10 0pF
1 ZC
20V/2A
D3
4 5
Drain
1N4 14 8
IC E2 QR 0 66 5
8 GND 2 FB
7 VC C
R3
0R
R11
27 k
R7
1. 2K
R 14
47 k
4
1
3
2
C14
10 0pF
C15
10 0nF
R6
68 0R
C9
1nF
IC2
C7
0. 1uF
R8
22 k
S FH61 7A-3
IC3
TL43 1
ZD1
22 V
*R13
R12
10 k
采用 ICE2QR0665 (V0.2) 的 40W 20V SMPS 演示板
图 2 - 原理图
应用说明
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8.1 PCB 的顶层
图 3 - 组件图例 - 俯视图
应用说明
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8.2 PCB 的底层
图 4 - 焊接面铜板 - 仰视图
应用说明
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9
组件表
表 1 - 组件表
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
应用说明
指示符
BR1
NTC
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
C10
C11
C12
C14
C15
C16
D1
D2
D3
F1
FB1
IC1
IC2
IC3
J1~J7
L1
L2
R1
R3
R5
R5A
R6
R7
R8
R10
R11
R12
R14
R15
TR1
ZD1
部件类型
1.5A/800V
2.5Ω S236
0.22μF/275Vac X2
0.1μF/275Vac X2
68μF/400V
2.2nF/400V
2.2nF/250V, Y1
33μF/35V
0.1μF
100pF
1nF
47pF/1000V
1000μF/25V
470μF/25V
100pF(0805)
100nF(0805)
1000μF/25V
UF4005
1N4148
20A/150V
1.6A 保险丝
铁氧体磁珠
ICE2QR0665
SFH617A-3
TL431
跳线
2X39mH,1.4A
1.5μH
150kΩ/2W
0Ω, (SMD 0805)
0.82Ω(0.5W, 1%)
0.82Ω(0.5W, 1%)
680Ω(SMD 0805)
1.2kΩ(SMD 0805)
22kΩ(SMD 0805)
43kΩ,0.1% (1206)
27kΩ,1%(1206)
10kΩ( 1%)(1206)
47kΩ
8.2kΩ
534μH
22V
12
部件号
厂家
DF08M
B57236S0259M000
B32922C3224K000
B32922C3104K000
B43501A9686M000
B32529C8222K000
DE1E3KX222MA4BL01
B41851A7336M000
RPER71H104K2K1A03B
Vishay
Epcos
Epcos
Epcos
Epcos
Epcos
Murata
Epcos
Murata
RPER71H102K2K1A03B
Murata
UF4005
Vishay
MBR20H150CT
Vishay
Infineon
B82734R2142B030
Epcos
PC40EER28-Z
TDK
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变压器构造
铁心和材料:PC40EER28-Z
绕线架:水平版本,BEER-28-1110CP
一次绕组电感,Lp=534μH,在引脚 5 和引脚 4 之间测量(距电感的缝隙)
引脚 2
引脚 1
8匝
引脚 5
引脚 3
22 匝
引脚 8
引脚 6
9匝
引脚 3
22 匝
引脚 4
所有线芯端接都有
最小 3 毫米绝缘套
22 匝
铁心中央护板
所有线芯端接都有
最小 3 毫米绝缘套
3 毫米安全胶带
3 毫米安全胶带
图 5 - 变压器结构
图 6 - 变压器整体 - 俯视图
表 2 用于变压器绕组的绕线规格
应用说明
开始
1
停止
2
3
6
4
匝数
8
线号
1XAWG#28
5
8
22
9
2XAWG#28
6XAWG#28
3
22
2XAWG#28
14
层
辅助
1
/ 一次
2
二次
1
/2 一次
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11
试验结果
11.1 效率和待机性能
表 3 - 效率与交流线路电压的关系
输入电压 (Vac)
输入功率 (W)
90
90
90
90
100
100
100
100
230
230
230
230
11.314
22.664
33.923
46.002
11.281
22.51
33.744
45.452
11.335
22.129
33.052
44.091
Vo(V)
19.88
19.87
19.86
19.86
19.88
19.87
19.86
19.86
19.88
19.87
19.86
19.86
Io(A)
0.5037
1.0025
1.5006
2.0037
0.5037
1.0025
1.5006
2.0037
0.5037
1.0025
1.5006
2.0037
Po(W)
10.01356
19.91968
29.80192
39.79348
10.01356
19.91968
29.80192
39.79348
10.01356
19.91968
29.80192
39.79348
效率 (%)
88.51
87.89
87.85
86.50
88.76
88.49
88.32
87.55
88.34
90.02
90.17
90.25
20V / 40W 效率曲线
负载 (% )
图 7 - 效率与交流线路电压的关系
应用说明
14
2011 年 11 月 11 日
EVALQRC-40W-ICE2QR0665
待机输入功率与线路电压
线路电压 (VAC)
图 8 待机输入功率与交流线路电压的关系
11.2 电磁干扰(EMI)试验结果
Schaffner (SMR4503)按照 EN55022 或 CISPR 22 B 类试验标准进行了传导电磁干扰(EMI)测量。 演示
板设置为 36W,输入电压为 115Vac 和 230Vac。 红色曲线(上面的曲线)是准峰值数据,绿色曲线(下面的
曲线)是平均数据。 它们都能满足规定。
80
EN_V_QP
EN_V_AV
QP Pre
AV Pre
70
60
dBµV
50
40
30
20
10
0
-10
0.1
1
10
100
f / MHz
图 9 230V 线路结果
应用说明
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EVALQRC-40W-ICE2QR0665
80
EN_V_QP
70
EN_V_AV
QP Pre
AV Pre
60
dBµV
50
40
30
20
10
0
-10
0.1
1
10
100
f / MHz
图 10 115V 线路结果
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参考文献
[1]
ICE2QS01 数据表,英飞凌科技有限公司,2006
[2]
ICE2QR0665 数据表,英飞凌科技有限公司,2008
[3]
ICE2QS02G 数据表,英飞凌科技有限公司,2008
[4]
AN-ICE2QS01,采用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS01 的 25W 评估板,英飞凌科技有限公司,2006
[5]
采用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS01 的变换器设计,英飞凌科技有限公司,2006
[6]
采用准谐振 PWM 控制器 ICE2QS02G 的 80W 评估板,英飞凌科技有限公司,2008
应用说明
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