40W適配器演示板：700V CoolMOS? P7與ICE2QS03G的完美結(jié)合

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，不斷追求更高的效率、更低的損耗以及更強(qiáng)的穩(wěn)定性是工程師們永恒的目標(biāo)。今天，我們就來(lái)深入探討一款基于新的700V CoolMOS? P7和ICE2QS03G準(zhǔn)諧振PWM控制器的40W適配器演示板，看看它能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

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一、演示板概述

這款40W適配器演示板旨在為充電器和適配器應(yīng)用提供一個(gè)形式、適配性和功能測(cè)試平臺(tái)，展示700V CoolMOS? P7的運(yùn)行情況以及整體控制器設(shè)計(jì)。它采用準(zhǔn)諧振反激拓?fù)?，能夠有效改善開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度設(shè)計(jì)，并降低輻射和傳導(dǎo)干擾。

二、準(zhǔn)諧振反激變換器原理

（一）傳統(tǒng)反激變換器的問(wèn)題

傳統(tǒng)固定頻率反激變換器在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗，特別是當(dāng)開(kāi)關(guān)在較高的漏源電壓 (V_{DS}) 下進(jìn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致更多的 (Eoss) 損耗。

（二）準(zhǔn)諧振反激變換器的優(yōu)勢(shì)

準(zhǔn)諧振（QR）反激變換器通過(guò)控制初級(jí)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，降低了開(kāi)關(guān)損耗。在反激變換器工作于不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）時(shí)，能量先存儲(chǔ)在初級(jí)側(cè)，當(dāng)初級(jí)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)電流上升；MOSFET關(guān)斷后，變壓器中的能量轉(zhuǎn)移到次級(jí)側(cè)電容。初級(jí)電感中剩余的能量會(huì)與MOSFET的輸出電容諧振。QR反激變換器會(huì)等待 (V_{DS}) 電壓達(dá)到最小值時(shí)再導(dǎo)通MOSFET，從而降低了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)減少了開(kāi)關(guān)噪聲和輻射、傳導(dǎo)干擾。

（三）700V CoolMOS? P7的作用

700V CoolMOS? P7技術(shù)具有較低的輸出電容 (C_{oss}) ，有助于減少器件在導(dǎo)通時(shí)的損耗，進(jìn)一步提升了QR反激變換器的性能。

三、ICE2QS03G控制器功能

四、700V CoolMOS? P7的優(yōu)勢(shì)

（一）電壓優(yōu)勢(shì)

與600V和650V的MOSFET相比，700V CoolMOS? P7具有更高的擊穿電壓，可用于提高設(shè)計(jì)效率、增加允許的交流輸入電壓或增強(qiáng)設(shè)計(jì)的浪涌能力。它能夠承受更高的母線電壓、反射電壓和緩沖電壓組合，從而降低變換器的開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，額外的電壓裕量還能使母線電壓超過(guò)典型的265V高壓線。

（二）開(kāi)關(guān)性能優(yōu)勢(shì)

P7系列器件在開(kāi)關(guān)性能上優(yōu)于現(xiàn)有的英飛凌和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件。其 (Eoss) 損耗更低，特別是在較高的交流輸入電壓下，輸出電容儲(chǔ)能方面表現(xiàn)更出色。英飛凌網(wǎng)站提供了P7 700V MOSFET的SPICE模型，可用于更好地理解反激變換器初級(jí)MOSFET的功率損耗機(jī)制，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

五、設(shè)計(jì)考量

（一）700V MOSFET與設(shè)計(jì)變更

從英飛凌35W適配器設(shè)計(jì)（使用600V C6 MOSFET）到基于700V CoolMOS? P7的40W適配器設(shè)計(jì)，進(jìn)行了一系列重要變更。將反激MOSFET從CoolMOS? C6系列更換為P7 700V IPA70R600P7S，在相同的 (R_{DS(on)}) 下，改善了MOSFET的開(kāi)關(guān)特性。通過(guò)略微降低反射電壓和增加緩沖鉗位電壓，將峰值漏源電壓從526V提高到560V，同時(shí)降低了緩沖能量損耗，提高了40W適配器在高壓線和輕載時(shí)的效率。此外，還更換了輸出二極管，降低了滿載功率損耗。

（二）熱性能改善

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，系統(tǒng)的最壞情況熱條件發(fā)生在100V (100 ~V_{AC}) 和滿載輸出功率（40W）時(shí)。使用P7 700V MOSFET的40W適配器在效率上有所提高，模具化合物溫度降低了2.9 °C，有助于提高功率密度或改善設(shè)計(jì)的熱裕量。

（三）欠壓鎖定（UVLO）電路

UVLO電路用于在交流輸入電壓低于指定范圍時(shí)關(guān)閉電源。通過(guò)電壓分壓器電阻檢測(cè)U2（TL431）的REF引腳電壓，Q2作為開(kāi)關(guān)控制FB引腳電壓，Q3和R17提供電壓滯后，U2作為比較器。系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓進(jìn)入或退出UVLO模式，“進(jìn)入U(xiǎn)VLO”閾值設(shè)置為77.8 (77.8 V{DC}) ，以避免在滿載運(yùn)行時(shí)低于90V (90 ~V{AC}) 時(shí)誤觸發(fā)。

六、演示板詳細(xì)信息

（一）規(guī)格參數(shù)

（二）功能特點(diǎn)

演示板具有多種保護(hù)功能，包括折返點(diǎn)保護(hù)、 (V_{cc}) 過(guò)壓和欠壓保護(hù)、過(guò)載/開(kāi)環(huán)保護(hù)、可調(diào)輸出過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)自動(dòng)重啟和短繞組保護(hù)等，確保了適配器的可靠性和穩(wěn)定性。

（三）原理圖、BOM和PCB布局

文檔提供了40W適配器的原理圖、詳細(xì)的物料清單（BOM）以及PCB布局圖。其中，英飛凌的組件在BOM中以粗體顯示。PCB使用Altium Designer 16設(shè)計(jì)，原理圖和板文件可按需提供。

（四）變壓器構(gòu)造

變壓器由I.C.E. Transformers制造，采用RM10磁芯，3C95磁芯材料，8引腳RM10垂直骨架。初級(jí)電感為1500μH，漏電感小于25μH。文檔還詳細(xì)描述了變壓器的繞組堆疊方式和制作工藝。

七、測(cè)量結(jié)果

（一）高低線運(yùn)行情況

在高線（265 (V{AC}) ）無(wú)負(fù)載時(shí)，ICE2QS03G以突發(fā)模式運(yùn)行，以最小化空閑功耗，突發(fā)模式脈沖序列每33.8ms發(fā)生一次。在低線（100 (V{AC}) ）滿載（40W）時(shí)，初級(jí)MOSFET Q1的峰值電流為1.3A，為電源最大電流限制（1.6A）留出了裕量。在高線（265 (V_{AC}) ）滿載（40W）時(shí)，最壞情況下的漏源電壓為599V，仍有14.4%的MOSFET擊穿電壓裕量。

八、總結(jié)

CoolMOS? P7系列MOSFET為反激應(yīng)用提供了最佳解決方案。與英飛凌CoolMOS? P6和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件相比，在120 (V{AC}) 和輕載（5W）時(shí)效率提高了2.0%，在230VAC時(shí)提高了0.3%；在35W時(shí)，高低線效率均提高了0.1%。P7 700V MOSFET的效率提升還帶來(lái)了熱性能的改善，在100V (100 ~V{AC}) 和滿載運(yùn)行時(shí)溫度降低了2.9 °C。其700V的擊穿電壓提供了額外的安全裕量，增強(qiáng)了浪涌魯棒性。這些改進(jìn)使得35W適配器設(shè)計(jì)能夠在相同的 (RDS(on)) 值下提升到40W。相信這些優(yōu)勢(shì)能夠?yàn)槠渌潆娖骱瓦m配器設(shè)計(jì)帶來(lái)新的思路和解決方案，各位工程師們不妨在實(shí)際項(xiàng)目中嘗試一下。

參考文獻(xiàn)

[1] Design Guide for QR Flyback Converter [2] IPA70R600P7S data sheet, 700 V CoolMOS? P7 Power Transistor [3] 700 V CoolMOS P7? Application Note [4] ICE2QS03G data sheet, Infineon Technologies AG [5] 2N7002 data sheet, Infineon Technologies AG [6] BAS21 - 03W data sheet, Infineon Technologies AG [7] ICE2QS03G design guide. [ANPS0027] [8] Converter Design Using the Quasi - Resonant PWM Controller ICE2QS03, Infineon Technologies AG, 2006. [ANPS0003]