Chinese version Reference Design 5W 2 outputs (18V,5V) SMPS using ICE3B0365J

应用说明, V 1 0.0,2010 年 5 月
AN-EVALSF3-ICE3B0365J
带 CoolSET ® F3 ICE3 B036 5J 的 5W 2 路输出(5V
和 18V) DC/ DC SMPS 演示板
电源管理与供电
1
思想永不停歇。
版本 2010-05-19
由 Infineon Technologies Asia Pacific 出版
8 Kallang Sector,
349282 Singapore
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带 CoolSET ® F3 ICE3B0365J 的 5W 2 输出(5V 和 18V) DC/DC 演示板
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2010-05
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带 CoolSET ® F3 ICE3B0365J 的 5W 2 输出(5V 和 18V) DC/DC 演示板
英飞凌科技亚太私人有限公司 (Infineon Technologies Asia Pacific Pte Ltd) 许可
Kyaw Zin Min
Kok Siu Kam Eric
He Yi
Jeoh Meng Kiat
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AN-PS0046
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
目录
页码
摘要 .......................................................................................................................................................................... 5
评估板 ...................................................................................................................................................................... 5
特性列表 .................................................................................................................................................................. 6
技术规格 .................................................................................................................................................................. 6
功能和元件说明 ...................................................................................................................................................... 7
PCB 布局图 ............................................................................................................................................................ 9
6.1
顶层 ............................................................................................................................................................. 9
6.2
底层 ............................................................................................................................................................. 9
7 元件表 .................................................................................................................................................................... 10
8 变压器结构 .............................................................................................................................................................11
9 测试结果 ................................................................................................................................................................ 12
9.1
效率 ........................................................................................................................................................... 12
9.2
输入待机功率 ........................................................................................................................................... 12
9.3 线路调整 ......................................................................................................................................................... 14
9.4 负载调整 ......................................................................................................................................................... 14
10
波形和示波器波形曲线图................................................................................................................................ 15
10.1 在较低和较高直流输入电压和最大负载下启动........................................................................................ 15
10.2 在较低和较高直流输入电压和最大负载下软启动.................................................................................... 15
10.3 频率抖动 ....................................................................................................................................................... 16
10.4 进入主动突发模式 ....................................................................................................................................... 16
11
参考资料 ........................................................................................................................................................... 17
1
2
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应用说明
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使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
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摘要
本应用说明描述了一种使用 IFX F3 CoolSET ® ICE3B0365J 的非隔离反激式变换器电源。此应用演示板可以
在 275VDC 至 375VDC 的输入电压下工作,具有 5V、18V 两个输出电压以及简单的单晶体管控制调节。两
个输出端的总输出功率达到 5W。它在断续导通模式 (DCM) 下工作,在抖动模式下时以 67 kHz 的开关频率运
行。它尤其适用于白色家电、空调、冰箱、炉具等消费者家电的辅助电源。它具有低待机功耗和良好的 EMI 性
能,是同类产品中最出色的。
2
评估板
图 1 – EVALSF3-ICE3B0365J
本文档包含特性列表、供电电源规格、原理图、材料清单和变压器结构文件。报告的后半部分显示了性能曲
线、示波器波形等典型工作特征。
应用说明
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2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
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特性列表
带内置可切换启动元件的 650V 耐雪崩 CoolMOS®
通过反馈信号控制的主动突发模式可在轻载情况下实现最低待机功率。
通过 BiCMOS 技术提供较宽 Vcc 电压范围
主动突发模式中具有快速负载跳变响应
67kHz 固定开关频率
通过自动重启模式实现过热保护、过压保护、过载保护、开环保护和 VCC 欠压保护
通过消隐窗实现短时最大电流
用户可定义软启动
最大占空比 72%
通过 传播延迟补偿提供准确的初级电流限制
通过频率抖动实现低 EMI
4
技术规格
输入电压
275Vdc~375Vdc
输出 1 电压和电流
5V +/- 5%, (0.2A)
输出 2 电压和电流
18V +/- 10%, (0.22A)
输出功率
5W
主动模式平均效率(25%、50%、75%、100%)
>80%
开关频率
67kHz
应用说明
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2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
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功能和元件说明
图 2 – 5W 2路输出(18V 和 5V)ICE3B0365J 电源示意图
应用说明
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2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
图 2 所示电路详细描述了一种 5V 或 18V 5W 非隔离反激式变换器模块,此模块在 275Vdc 至 375Vdc 的直
流输入电压下工作。
ICE3B0365J 具有内置启动元件,因此无需使用外部启动电阻器。此启动元件与 IC 的漏极引脚相连。
ICE3B0365J 的漏极引脚一加上电压,启动元件就会给 Vcc 电容器 C3 和 C4 充电。Vcc 电压超过 18 V 的
UVLO 时,IC 启动。然后 Vcc 电压通过 T1 的 18V 绕组实现自举,以持续运行。ICE3B0365J (IC1) 开始软启
动周期(通过 C5 编程)。同时,C8 和 C9 的输出电压升高,直至达到 ZD1 的齐纳电压。
ZD1 和 R4 形成电压检测电路,Q1 起误差放大器的作用,VBE 为参考电压,C7 为环路增益补偿器。
R1、C2 和 D1 在初级变压器侧形成箝位器缓冲电路。此电路可限制因变压器关断后漏感而造成的开关晶体
管漏极瞬态电压过高。R2 为电流检测电阻器,可通过两种方式使用:此电阻器的压降可提供电流斜升,通过
IC 的电流模式调节电路的 PWM 比较器可比较电流斜坡和 FB 信号。此外,将此值与固定 VCS_最大值 阈值比
较,以防止在每个开关周期内发生任何过流情况。
软启动电容器 (C软启动) C5 可用于 3 个功能的编程;
1. 软启动时间: t 软启动 = 0.793 • C 软启动 * R软启动 = 35ms,其中 C软启动=1uF,R软启动=45KΩ
过载消隐时间/进入突发模式消隐时间:
2.
t 消隐= 0.47 • C 软启动 * R软启动= 21ms,其中 C软启动=1uF,R软启动=45KΩ
3.
频率抖动周期: t 抖动 = 3200 • t 抖动 = 3200 • C 软启动 = 3.2ms,其中 C软启动=1uF
为了获得最低待机功率性能,IC 提供主动突发模式。输出负载下降的同时,反馈电压也下降。当反馈 FB 电
压降至 1.35V 以下,系统将进入―主动突发模式‖;待机模式。在待机模式下,IC 中唯一的有源元件为 FB,因
此 IC 的功耗非常有限。结合主动突发模式可大大减小待机功率。主动突发模式的操作如下。
1. 进入突发模式的条件:VFB < 1.35V 且经过消隐时间后(用 C软启动 编程)
2.
在突发模式下工作:当 VFB 达到 3.6V 时突发―打开‖(有开关脉冲),当 VFB 下降到 3.0V 时突发―关
闭‖(无开关脉冲),同时 Vcs 下降至 0.32V(注意,Vcc 电压必须保持在 10.3V 以上方可使 IC 维持
在打开状态)
3. 离开突发模式:VFB 达到 4.5V
IC 还通过频率抖动实现良好的 EMI 性能。抖动频率为开关频率的 ±4%,且可使用 C软启动 对频率抖动周期编
程。
此外还通过各种内置保护功能(自动重启模式)保护系统不受损坏。保护条件如下。
保护功能
失效条件
保护模式
Vcc 过压
Vcc > 20.5V 且 VFB > 4.5V 且 V软启动 > 4.0V
过热
(控制器连接处)
TJ > 140°C
自动重启
自动重启
自动重启
过载/开环/输出短路
Vcc 欠压/短路
光耦合器
应用说明
VFB > 4.5V 且 VSoftS > 4.0V
自动重启
Vcc < 10.3V
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使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
6
PCB 布局图
6.1
顶层
图 4 – 顶层元件图例
6.2
底层
图 5 – 底层铜
应用说明
9
2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
元件表
7
序
号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
应用说明
元件标号
元件说明
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8,C9
D1
D2
D3
D4
IC1
Q1
R1
R2
R3,R5
R4
T1
ZD1
10uF/400V
2.2nF/400V
0.1uF
33uF/35V
1uF
1nF
2.2nF
47uF/25V
UF4006
1N4148
UF4005
UF4003
ICE3B0365J
BC547B
330k(1W,5%)
5R1(0.5W ,1%)
22R
2k
5670uH(195:12:40)
5V1
10
零件号
制造商
RPER71H104K2K1A03B
B41851A7336M000
MURATA
EPCOS
RPER71H102K2K1A03B
MURATA
B41821A5476M000
EPCOS
ICE3B0365J
INFINEON
E16/8/5,N87
EPCOS
2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
变压器结构
8
磁芯: E16/8/5, N87(EPCOS)
骨架:立式
初级电感,Lp=5.67mH,在引脚 4 和引脚 1 之间测量(与电感留有间隙)
变压器结构:
Figure 6 – 变压器结构和整个变压器的俯视图
线号要求:
开始
3
5
8
4
应用说明
结束
1
7
5
3
圈数
65
28
12
130
线号
1XAW G#38
1XAW G#27
1XAW G#27
1XAW G#38
11
层数
½ 初级
次级 2
次级1
½初级
2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
9
测试结果
9.1
效率
效率[%]
主动模式的效率与直流输入电压
直流输入电压[Vdc]
满载效率
平均效率(25%、75%、100%)
图 7 – 效率与直流输入电压
效率[%]
主动模式的效率与输出电压的关
系
输出功率
图 8 – 效率与较低和较高直流输入电压下的输出功率之间的关系
9.2
输入待机功率
空载待机功率与直流输入电压的关系
直流输入电压[Vdc]
图 9 – 空载输入待机功率与直流输入电压的关系(用 Yokogawa WT210 功率表测量——能量累积模式)
12
应用说明
2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
效率[%]
输入功率【w】
待机效率和输入功率与直流输入电压的关系
直流输入电压[Vdc]
0.5W 负载下的输入功率
0.5W 负载下的效率
图 10 – 0.5W ( 0.25W(5V)+0.25W(18V) ) 下的输入待机功率和效率与直流输入电压之间的关系(用 Yokogawa
WT210 功率表测量——能量累积模式)待机效率和输入功率与直流输入电压之间的关系
输入功率【w】
输入功率与直流输入电压之间的关系
直流输入电压[Vdc]
0.5W 负载下的 I/P 功率
1W 负载下的 I/P 功率
1.5W 负载下的 I/P 功率
图 11 – 轻载输入功率与直流输入电压的关系 ( 0.5W : 0.25W (5V)+0.25W(18V), 1W : 0.25(5V)+0.75W(18V),
1.5W : 0.25W(5V)+1.25W(18V) )
效率【%】
效率与直流输入电压的关系
直流输入电压[Vdc]
0.5W 负载下的效率
1W 负载下的效率
1.5W 负载下的效率
图 12 – 轻载效率与直流输入电压的关系 ( 0.5W : 0.25W(5V)+0.25W(18V), 1W : 0.25(5V)+0.75W(18V), 1.5W :
0.25W(5V)+1.25W(18V) )
应用说明
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2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
9.3 线路调整
5V 输出
效率与直流输入电压的关系
直流输入电压[Vdc]
最大负载下 5V
最大负载下 18V
图 13 – 满载下的线路调整与直流输入电压的关系
9.4 负载调整
负载调整 Vout 与输出功率的关系
直流输入电压[Vdc]
图 14 –负载调整 Vout 与输出功率的关系
应用说明
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使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
波形和示波器波形曲线图
10
用 LeCroy 6050 示波器记录所有波形和波形曲线图
10.1 在较低和较高直流输入电压和最大负载下启动
通道 1;C1:电流感测电压 (VCS)
通道 2;C2 :电源电压 (VCC)
通道 3;C3:反馈电压 (VFB)
通道 4;C4:软启动电压 (V软启动)
通道 1;C1:电流感测电压 (VCS)
通道 2;C2:电源电压 (VCC)
通道 3;C3:反馈电压 (VFB)
通道 4;C4:软启动电压 (V软启动)
启动时间 = 873ms
启动时间 = 873ms
图 15 – 在 275Vdc 和最大负载下启动
图 16 – 在 375Vdc 和最大负载下启动
10.2 在较低和较高直流输入电压和最大负载下软启动
通道 1;C1:电流感测电压 (VCS)
通道 2;C2:电源电压 (VCC)
通道 1;C1:电流感测电压 (VCS)
通道 2;C2:电源电压 (VCC)
通道 3;C3:反馈电压 (VFB)
通道 4;C4:软启动电压 (V软启动)
通道 3;C3:反馈电压 (VFB)
通道 4;C4:软启动电压 (V软启动)
软启动时间 = 43ms
软启动时间 = 43ms
图 17 – 在 275Vdc 和最大负载下的软启动
图 18 – 在 375Vdc 和最大负载下的软启动
应用说明
15
2010-05-19
使用 ICE3B0365J 的 5W 2 路输出 DC/DC 演示板
10.3 频率抖动
通道 1;C1:漏极电压 (V漏极)
通道 1;C1:漏极电压 (V漏极)
频率抖动范围为 63 kHz ~ 68 kHz,抖动周期内
设为 4ms,V漏极_PP=475V
频率抖动范围为 63kHz ~ 68 kHz,抖动周期内
设为 4ms,V漏极_PP=575V
图 19 – 在 275Vdc 和最大负载下的频率抖动
图 20 – 在 375Vdc 和最大负载下的频率抖动
10.4 进入主动突发模式
应用说明
通道 1;C1:电流感测电压 (VCS)
通道 1;C1:电流感测电压 (VCS)
通道 2;C2:电源电压 (VCC)
通道 2;C2:电源电压 (VCC)
通道 3;C3:反馈电压 (VFB)
通道 4;C4:软启动电压 (V软启动)
进入突发模式的消隐时间:19ms(负载从 4A 逐渐下
降至 0.2A)
图 21 – 在 275Vdc 下进入主动突发模式
通道 3;C3:反馈电压 (VFB)
通道 4;C4:软启动电压 (V软启动)
进入突发模式的消隐时间:19ms(负载从 4A 逐渐下
降至 0.2A)
图 22 – 在 375Vdc 下进入主动突发模式
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2010-05-19
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11
参考资料
[1]
英飞凌科技公司,数据手册《带集成式 650V CoolMOS® 和启动元件的 CoolSET ®-F3 ICE3BXX65J 离线
SMPS 电流模式控制器》
[2]
Luo Junyang,Jeoh Meng Kiat,Lim Chee Siong Simon,Kok Eric,英飞凌科技公司,设计指南
《ICE3AXXX/ICE3BXXX CoolSET® - F3 设计指南》
[3]
Harald Zoellinger,Rainer Kling,英飞凌科技公司,应用说明《用于离线开关模式电源 (SMPS) 的 ANSMPS-ICE2xXXX-1, CoolSET ® ICE2xXXXX》
应用说明
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2010-05-19
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