采用CoolSETTM-ICE2B265的30W开关电源设计[分享]

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[move]采用CoolSETTM-ICE2B265的30W开关电源设计[/move]

英飞凌(亚太)科技公司 Meng Kiat Jeoh, Junyang Luo, Yew Ming Lik

　

引言
CoolSET ICE2B265是内带CoolMOS的集成脉宽调制器。它含有控制器和CoolMOS功率开关，价格便宜。设计者可以用它来实现当前各种新型开关电源，例如要求待机功耗低、外部元件少，电路板面积最小等等。

如图1所示，CoolSET的控制部分采用了一些特别的增强方法来实现低待机功耗和电路保护。它包括5个单元：功率控制，软启动，改进的电流控制，电流限幅，待机和保护单元。待机单元可以使芯片工作频率下降，以减少待机模式下的功耗。待机频率的下限是21kHz，以避免产生音频噪声。在开环、过压或由于短路而造成的过载等故障情况下，器件切换到由保护电路控制的自动重启模式。通过集成在电流限幅单元内的延时补偿电路(专利技术)，峰值电流可以得到精确的控制。从而可使用更低成本小尺寸的变压器和次级二极管。



                                 图1 ICE2B265的框图



                图2 使用CoolSET ICE2B265P的30W开关电源演示板

30W反激式开关电源的设计
图2给出了使用ICE2B265P的低成本30W反激式开关电源电路，用作数码相机打印机的电源。电路指标如下：
输入电压范围：85-265VAC，50/60Hz；输出：18V/1.67A；最大输出功率：POMAX=30W；待机状态输入功率：在 PO=0W 且
VIN=240VAC 时，PIN<0.5W；效率：h>80%。
确定输入电容C5和最小直流输入电压V1MIN
为了选择输入电容C5的值，使用了以下的经验规则：
对于100/115VAC或通常输入(电源)，C5=2~3mF/W；
对于230VAC，C5=1mF/W。
本设计中选择C5=68mF。在最低电网电压为85V下，最小直流输入电压V1MIN(见图3)是计算变压器的一个非常重要的参数。它可以通过下式进行估算：

(1)
VACMIN，PK是最小输入电压的峰值，而WIN是C5放电的能量。
(2)
放电能量WIN等于需要的峰值输出功率POPK和放电时间TL/2-tc的乘积。
(3)
假设桥式整流器的二极管导通时间约为3毫秒，并将确定的值带入式(1)，(2)和(3)，得到：
(4)
(5)
(6)
将桥式整流器上的电压降考虑在内，V1MIN应当是80V。
变压器计算
最大占空比
在设计变压器时，要考虑开关电源在整个工作范围内其磁通是不连续的。
在最小输入电压V1MIN下的最大的占空比DMAX为：
DMAX= 0.5 (7)
初级感应电势
初级感应电势VR是通过初级线圈的次级电压的感应值，它可以由下式计算：
(8)
VDS可以忽略不计，则VR=80V。
初级电流最大峰值和有效值
初级电流的最大峰值I1PKMAX和最大输出功率成正比，它可由下式获得：
(9)
将已知的POMAX，V1MIN，dMAX和功效h的值带入(9)
(10)
初级最大电流有效值可以从I1PK，MAX和dMAX计算出来：
(11)
初级电感L1
初级电感可以由下面给出的回扫变压器的能量方程确定：
(12)
f是开关电源的开关频率，大约在67kHz左右。
(13)
初级匝数
对于这个设计，考虑到成本和易于购买，推荐使用EF25的磁心。对于 67kHz的工作频率，Epcos N67 的材料是一个很好的选择。
在不连续模式下，在开关频率为67kHz时，磁心最大磁通密度BMAX通常受磁心损耗限制。为了使磁心损耗保持在可以接受的程度，选择BMAX=0.2特斯拉来计算初级线圈的匝数N1。

(14)
AMIN是磁心的最小横截面积。对EF25，AMIN=51.5平方毫米。
(15)
次级匝数N01=14
输出整流二极管
为了选择合适的输出整流二极管，必须确定二极管上的最大反向峰值电压VD1,PK。VD1,PK可以从下面的方程获得：
(16)
其中V1MAX是最大直流输入电压。计算结果是：
(17)
所选二极管的反向额定电压VDR应当比VDPK大1.25倍以上。额定直流电流至少要比最大输出电流大3倍。在本设计中选用了MUR520。
输出电容
输出电容的选择由电容的RESR(等效串联电阻)和额定纹波电流来决定。流过输出电容的纹波电流，可以用下式计算：
(18)
在18伏/1.67A输出指标下，输出电容中的纹波电流是：
(19)
Epcos数据表中B41858系列的铝电解电容中，1000mF/25V的电容，在开关频率100kHz，环境温度105oC下的额定有效值电流是1.69A。必须使用2只这样的电容来获得VO1需要的纹波电流。每个电容的RESR是0.034W。2个RESR并联，RESRTOT=0.017W，引起的输出纹波电压是：

(20)
外加的L-C滤波器(图2中的L1和
C14)可以进一步抑制开关纹波电压。C14使用220mF/25V，RESR=0.12W的电容。为了消除由L1-C14滤波器引入的控制环路中的极点，L1需要在1.5mH左右。采用这样数值的L1-C14，VO1,RP可减小到:

(21)
输出端的开关纹波电压V`O1,RP已被衰减到18mV左右。
电流检测电阻
电流检测电阻(图2中的R14)由最大初级峰值电流和电流限幅的最小阈值电压VCSTHMIN决定。
(22)
在R14上的最大功耗是：
(23)
因此推荐使用1W的低感电阻。
软启动电容C7
在图2的应用电路中，建议外部软启动电容C7=1mF。
与VCC 相连的电容C6