基于CoolSET? ICE3RBR4765JG的3W 5V物聯(lián)網(wǎng)離線隔離電源設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備蓬勃發(fā)展的今天，低功耗、高可靠性的離線開(kāi)關(guān)電源（SMPS）需求日益增長(zhǎng)。本文將詳細(xì)介紹一款基于英飛凌CoolSET? ICE3RBR4765JG電流模式控制器的3W 5V物聯(lián)網(wǎng)離線隔離電源設(shè)計(jì)，涵蓋技術(shù)規(guī)格、產(chǎn)品特性、電路設(shè)計(jì)、測(cè)試結(jié)果等方面，希望能為電源設(shè)計(jì)工程師提供有價(jià)值的參考。

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一、引言

本設(shè)計(jì)是一個(gè)5V、3W的離線反激式電源工程報(bào)告，采用英飛凌CoolSET?抖動(dòng)系列的ICE3RBR4765JG作為反激控制器。該控制器內(nèi)置650V CoolMOS?作為主開(kāi)關(guān)元件和啟動(dòng)單元，參考設(shè)計(jì)板工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），開(kāi)關(guān)頻率為65kHz。輸出為單路5V / 600mA，通過(guò)次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）操作提供極低的待機(jī)功耗（在輸入電壓范圍180Vac - 265Vac內(nèi)小于13mW），內(nèi)置頻率抖動(dòng)和軟啟動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)低電磁干擾（EMI）。

二、技術(shù)規(guī)格

三、ICE3RBR4765JG產(chǎn)品特性

• 650V雪崩堅(jiān)固型CoolMOS?：內(nèi)置啟動(dòng)單元，提供穩(wěn)定可靠的開(kāi)關(guān)性能。
• 主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）：實(shí)現(xiàn)最低待機(jī)功耗，在輕載時(shí)顯著提高效率。
• 65kHz內(nèi)部固定開(kāi)關(guān)頻率：確保電源工作的穩(wěn)定性。
• 自動(dòng)重啟保護(hù)模式：針對(duì)過(guò)載、開(kāi)環(huán)、VCC欠壓、過(guò)溫和VCC過(guò)壓等故障提供保護(hù)。
• 內(nèi)置軟啟動(dòng)：減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，保護(hù)電路元件。
• 快速負(fù)載跳變響應(yīng)：在ABM模式下能快速響應(yīng)負(fù)載變化。
• 內(nèi)部PWM前沿消隱：防止前沿尖峰對(duì)電流限制的干擾。
• 內(nèi)置頻率抖動(dòng)和軟驅(qū)動(dòng)：降低電磁干擾。
• BiCMOS技術(shù)：提供寬VCC范圍。

四、電路描述

4.1 電路原理圖

電路原理圖展示了電源的整體架構(gòu)，包含輸入整流、EMI濾波、初級(jí)側(cè)緩沖、次級(jí)側(cè)整流、反饋回路等部分。

4.2 電路特點(diǎn)

該電路具有簡(jiǎn)單、小尺寸和極低空載功耗的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)小尺寸，選擇了高度和PCB占用面積較小的元件。通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵元件和控制器的功耗，實(shí)現(xiàn)了極低的空載功耗。

4.3 線輸入整流

輸入電壓范圍為180Vac - 265Vac，采用兩線供電，無(wú)保護(hù)接地連接。輸入整流電路包括保險(xiǎn)絲F1、串聯(lián)電阻R1、壓敏電阻V1和標(biāo)準(zhǔn)橋式整流器BR1。F1為徑向封裝的500mA慢熔保險(xiǎn)絲，壓敏電阻用于浪涌和過(guò)電壓保護(hù)，電阻R1限制浪涌電流并降低EMI。

4.4 初級(jí)側(cè)EMI濾波器

整流后的輸入電壓通過(guò)電容C1和C2濾波，L1為EMI抑制器，用于抑制初級(jí)電流中的高頻尖峰。C1和C2選用SMD封裝的1uF 450V陶瓷電容，在180Vac輸入和滿載時(shí)，C1和C2將放電至約180V，265V輸入時(shí)整流電壓最大值為375V。

4.5 初級(jí)側(cè)緩沖

當(dāng)CoolMOS? MOSFET關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生高漏極電壓尖峰，通過(guò)RC緩沖電路進(jìn)行阻尼。D1為高壓超快二極管，C4根據(jù)振蕩周期和CoolMOS? MOSFET漏極的電壓過(guò)沖選擇，R2的值和功率額定值取決于初級(jí)電感的最大峰值電流和CoolMOS? MOSFET的電壓過(guò)沖。緩沖電路還能抑制輻射EMI。

4.6 CoolSET?控制器電源

當(dāng)施加輸入電壓時(shí)，IC通過(guò)內(nèi)置啟動(dòng)單元開(kāi)始對(duì)其VCC電容充電。當(dāng)VCC電壓低于欠壓閾值10.5V時(shí)，啟動(dòng)單元激活，將VCC充電電流控制在0.9mA。當(dāng)VCC電壓超過(guò)導(dǎo)通閾值18V時(shí)，芯片開(kāi)始工作，啟動(dòng)單元關(guān)閉。通過(guò)對(duì)啟動(dòng)VCC電壓實(shí)現(xiàn)滯后，避免開(kāi)機(jī)時(shí)的不受控振蕩。

4.7 次級(jí)側(cè)整流

次級(jí)側(cè)整流電路為簡(jiǎn)單的二極管整流器，帶有濾波電容。二極管D3選用肖特基類型，滿足電流和反向電壓要求，其低正向電壓降低了D3的功率損耗，提高了整體效率。輸出電容C9和C10的選擇直接影響輸出電壓紋波、待機(jī)功耗和主動(dòng)突發(fā)模式下的重復(fù)時(shí)間周期。通過(guò)組合超低ESR電容和普通電容，可將最大輸出電壓紋波控制在80mVpp以內(nèi)，待機(jī)功耗控制在13mW以內(nèi)。

4.8 反饋回路電路

反饋回路的主要要求是匹配動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載并提供穩(wěn)定的系統(tǒng)控制。輸出電壓通過(guò)LMV431精密并聯(lián)穩(wěn)壓器進(jìn)行檢測(cè)，電阻R7和R8將輸出電壓設(shè)置為5V。R4決定光耦（U2）的二極管電流，對(duì)快速瞬態(tài)響應(yīng)和待機(jī)功耗很重要。光耦U2根據(jù)其電流傳輸比（CTR）和低輸入電流進(jìn)行選擇，同時(shí)確保封裝具有合適的爬電距離。反饋回路的元件選擇較為復(fù)雜，大多數(shù)元件值通過(guò)測(cè)試確定。

五、CoolSET? ICE3RBR4765JG控制器

5.1 啟動(dòng)

內(nèi)置啟動(dòng)單元使ICE3RBR4765JG無(wú)需外部啟動(dòng)電阻即可啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)單元將漏極引腳連接到IC的VCC引腳，將外部電容充電至18V，此時(shí)VCC引腳由輔助繞組供電。啟動(dòng)階段，IC提供軟啟動(dòng)功能，通過(guò)32步增加占空比逐漸增加初級(jí)電流，軟啟動(dòng)階段在IC開(kāi)啟（VCC超過(guò)18V）20ms后結(jié)束。

5.2 初級(jí)峰值電流控制

初級(jí)電流通過(guò)外部分流電阻R3和R13進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)放大后與反饋信號(hào)進(jìn)行逐周期峰值電流限制操作。如果放大后的電流檢測(cè)信號(hào)超過(guò)反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間Ton關(guān)閉。電阻R3和R13決定集成CoolMOS? MOSFET的最大峰值電流，從而限制最大輸出功率。當(dāng)電流檢測(cè)電壓超過(guò)閾值Vcsth = 1.03V時(shí)，觸發(fā)過(guò)載保護(hù)。集成的傳播延遲補(bǔ)償減少了交流輸入電壓對(duì)最大輸出功率的影響，前沿消隱用于保護(hù)電流限制免受前沿尖峰的干擾。在主動(dòng)突發(fā)模式下，初級(jí)峰值電流限制降低至VCS = 0.34V，降低了傳導(dǎo)損耗和可聽(tīng)噪聲。

5.3 主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）

系統(tǒng)在輕載條件下進(jìn)入ABM模式，顯著提高輕載效率，同時(shí)保持Vout的低紋波和快速負(fù)載階躍響應(yīng)。系統(tǒng)進(jìn)入ABM的條件是反饋信號(hào)下降并在20ms消隱時(shí)間內(nèi)保持低于1.35V，以防止因負(fù)載大階躍變化而進(jìn)入ABM。進(jìn)入ABM時(shí)，IC的電流消耗降低至約450μA，VCC必須保持在欠壓鎖定電平10.5V以上，以防止啟動(dòng)單元開(kāi)啟和IC重啟。反饋信號(hào)在IC開(kāi)始開(kāi)關(guān)時(shí)為3.5V，停止開(kāi)關(guān)時(shí)為3.0V，負(fù)載階躍變化時(shí)反饋信號(hào)將立即增加。當(dāng)反饋信號(hào)超過(guò)4.0V時(shí)，系統(tǒng)退出ABM模式。

5.4 保護(hù)模式和自動(dòng)重啟

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)重啟模式時(shí)，IC關(guān)閉，開(kāi)關(guān)停止，VCC開(kāi)始下降。當(dāng)VCC達(dá)到關(guān)斷閾值10.5V時(shí)，啟動(dòng)單元開(kāi)啟，將VCC充電至導(dǎo)通閾值18V，使IC再次開(kāi)啟。啟動(dòng)階段后，如果故障條件仍然存在，IC將再次進(jìn)入自動(dòng)重啟模式，否則系統(tǒng)將恢復(fù)正常運(yùn)行。

六、PCB布局

PCB為雙層雙面設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)1.5mm厚度和1oz銅制造。初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間的爬電距離根據(jù)加強(qiáng)隔離要求設(shè)置，整體PCB尺寸為50mm x 23.5mm。

七、物料清單

詳細(xì)列出了電源設(shè)計(jì)中使用的各個(gè)元件的型號(hào)、制造商和規(guī)格，為實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了明確的參考。

八、變壓器規(guī)格

8.1 電氣原理圖

展示了變壓器的電氣連接和繞組情況。

8.2 電氣規(guī)格

包括初級(jí)電感、初級(jí)匝數(shù)、次級(jí)匝數(shù)、輔助匝數(shù)等參數(shù)。

8.3 材料

介紹了變壓器的鐵芯、線圈骨架、繞組導(dǎo)線和絕緣膠帶等材料。

8.4 變壓器構(gòu)建圖

展示了變壓器的具體構(gòu)建方式。

8.5 變壓器設(shè)計(jì)

由Würth Elektronik設(shè)計(jì)，提供了詳細(xì)的電氣參數(shù)和測(cè)試條件。

九、測(cè)試結(jié)果

9.1 效率

在室溫穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行效率測(cè)量，線頻率為50Hz。測(cè)量結(jié)果顯示了效率隨交流輸入電壓和輸出功率的變化情況。

9.2 空載功耗

使用功率分析儀YOKOGAWA WT3000測(cè)量空載輸入功率，測(cè)量結(jié)果顯示了空載功耗隨輸入電壓的變化情況。

9.3 輕載功耗

測(cè)量了輸出功率為50mW時(shí)的功率消耗隨輸入電壓的變化情況。

9.4 線和負(fù)載調(diào)節(jié)

展示了滿載時(shí)輸出電壓隨交流輸入電壓的變化（線調(diào)節(jié)）和輸入電壓為230Vac時(shí)輸出電壓隨輸出功率的變化（負(fù)載調(diào)節(jié)）。

9.5 輸出電壓紋波

最大輸出電壓紋波為70mVpp，測(cè)量結(jié)果顯示了不同輸入電壓和輸出電流下的輸出電壓紋波情況。

9.6 熱性能

使用FLIR T600熱成像儀在滿載運(yùn)行45分鐘后拍攝熱圖像，最熱的元件是二極管D3，溫度為54°C，控制器溫度為49°C，環(huán)境溫度為25°C。

十、波形

10.1 穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)波形

展示了CoolMOS?漏極和源極電壓在230V和滿載時(shí)的波形。

10.2 啟動(dòng)波形

捕獲了230V和滿載（電阻負(fù)載）時(shí)的啟動(dòng)波形，包括漏極電壓和VCC電壓的啟動(dòng)曲線。

10.3 輸出電壓紋波

展示了230V和滿載時(shí)的輸出電壓紋波波形。

10.4 主動(dòng)突發(fā)模式

展示了空載和10mA負(fù)載時(shí)的主動(dòng)突發(fā)模式波形。

10.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載在50%和100%之間以10ms周期切換，轉(zhuǎn)換速率為0.2A/μs，展示了輸出電壓和輸出電流的響應(yīng)波形。

10.6 輸出電壓過(guò)沖和下沖

測(cè)試了負(fù)載從滿載到空載和反之的輸出電壓過(guò)沖和下沖情況，以及交流線路中斷時(shí)的輸出電壓過(guò)沖情況。

十一、傳導(dǎo)EMI

根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EN55022 B類，在Vin = 230Vac和滿載時(shí)測(cè)量傳導(dǎo)EMI，測(cè)量結(jié)果展示了線路和中性線的EMI情況。

十二、總結(jié)

本設(shè)計(jì)基于英飛凌CoolSET? ICE3RBR4765JG電流模式控制器，實(shí)現(xiàn)了一款低功耗、高可靠性的3W 5V物聯(lián)網(wǎng)離線隔離電源。通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、元件選擇和控制策略，該電源具有高效率、低待機(jī)功耗、低EMI等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的性能和穩(wěn)定性，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可行的解決方案。

你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過(guò)類似的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？對(duì)于本設(shè)計(jì)中的某些技術(shù)細(xì)節(jié)，你有什么疑問(wèn)或不同的見(jiàn)解嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。