基于 CoolSET? ICE5AR4770BZS - 1 的 15W 空調(diào)輔助開關(guān)電源設(shè)計(jì)

一、引言

隨著智能家居設(shè)備的普及，新一代空調(diào)等家電具備了無(wú)線控制、智能感應(yīng)和觸摸屏顯示等先進(jìn)功能，這就需要穩(wěn)定的直流電源為各種模塊和傳感器供電。英飛凌推出的 CoolSET? 第五代固定頻率增強(qiáng)型 ICE5AR4770BZS - 1 開關(guān)控制器，為高效且經(jīng)濟(jì)地滿足這一需求提供了理想解決方案。

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二、設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

2.1 輕載高效

在空調(diào)運(yùn)行中，多數(shù)情況下室溫穩(wěn)定后，輔助電源處于輕載狀態(tài)。傳統(tǒng)固定頻率反激式電源在輕載時(shí)開關(guān)損耗較大，而 ICE5AR4770BZS - 1 采用頻率降低開關(guān)方案，從半載到輕載時(shí)降低開關(guān)頻率，有效減少了開關(guān)損耗。在 25% 負(fù)載條件下，效率可達(dá) 80% 以上，滿足 ENERGY STAR 要求。大家可以思考一下，這種頻率降低方案在其他電源設(shè)計(jì)中是否也能借鑒呢？

2.2 電路簡(jiǎn)化與高度集成

CoolSET? 開關(guān)控制器將控制器和高壓（HV）MOSFET 集成在一個(gè)節(jié)省空間的 DIP - 7 封裝中。這不僅減少了元件數(shù)量，還能將 PCB 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為單層，便于采用傳統(tǒng)且經(jīng)濟(jì)高效的波峰焊工藝進(jìn)行制造。對(duì)于 PCB 布局和電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足的工程師來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一大福音。

2.3 自動(dòng)重啟保護(hù)

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)而言，保護(hù)觸發(fā)后系統(tǒng)停止并鎖定會(huì)給用戶和制造商帶來(lái)困擾。ICE5AR4770BZS - 1 為所有故障模式實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)重啟模式，最大程度減少了系統(tǒng)中斷，提升了用戶體驗(yàn)。

三、電源規(guī)格

該設(shè)計(jì)的電源規(guī)格涵蓋輸入、輸出、效率、環(huán)境等多個(gè)方面。輸入電壓范圍為 90VAC - 264VAC，頻率為 47Hz - 64Hz，空載輸入功率在 220VAC 時(shí)不超過(guò) 0.06W。輸出電壓為 12V，輸出電流范圍為 0.03A - 1.25A，最大輸出功率為 15W，輸出電壓紋波不超過(guò) 360mV。在效率方面，最大負(fù)載時(shí)效率可達(dá) 83%，25%、50%、75% 和 100% 最大輸出功率時(shí)的平均效率較高。同時(shí)，該電源滿足 EN 55022 Class - B 傳導(dǎo) EMI 要求，ESD 抗擾度為 ±8kV，差模浪涌抗擾度為 ±2kV，共模浪涌抗擾度為 ±4kV，工作環(huán)境溫度為 0°C - 50°C。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)這些規(guī)格進(jìn)行仔細(xì)考量。

四、電路設(shè)計(jì)

4.1 EMI 濾波與線路整流

輸入電源取自 90VAC - 264VAC 的交流電網(wǎng)，保險(xiǎn)絲（F1）用于保護(hù)系統(tǒng)，壓敏電阻（VAR）吸收線路浪涌瞬變。L11 和 C11 組成濾波器，衰減差模和共模傳導(dǎo) EMI 噪聲，C11 需為 X 電容等級(jí)。電阻（R110 和 R110A）用于在交流斷電時(shí)對(duì) X 電容放電，滿足安全要求。橋式整流器（BR1）將交流輸入整流為直流電壓，由大容量電容（C13）濾波。

4.2 反激式轉(zhuǎn)換器功率級(jí)

由電容（C13）、變壓器（TR1）、初級(jí)高壓 MOSFET（集成在 ICE5AR4770BZS - 1 中）、次級(jí)整流二極管（D21）和次級(jí)輸出電容（C22 和 C24）組成。當(dāng)初級(jí)高壓 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，能量存儲(chǔ)在變壓器中；關(guān)斷時(shí)，能量釋放到輸出電容。變壓器采用三明治繞組結(jié)構(gòu)，減少了漏感和鉗位電路損耗。次級(jí)電容采用低 ESR 類型，有效降低了開關(guān)紋波，結(jié)合初級(jí)和次級(jí)之間的 Y 電容（C12），進(jìn)一步降低了 EMI 噪聲，符合 EN 55022 Class - B 規(guī)格。

4.3 反激式轉(zhuǎn)換器控制

4.3.1 集成高壓功率 MOSFET

CoolSET? ICE5AR4770BZS - 1 開關(guān)控制器是一款七引腳設(shè)備，集成了新的固定頻率 PWM 控制器和 700V 超結(jié)（SJ）CoolMOS? 功率 MOSFET，簡(jiǎn)化了原理圖和電路設(shè)計(jì)。

4.3.2 電流檢測(cè)（CS）

ICE5AR4770BZS - 1 是電流模式開關(guān)控制器，通過(guò)連接在 CS 引腳和地之間的電阻（R14 和 R14A）逐周期控制峰值電流，避免變壓器飽和，提高了系統(tǒng)的健壯性和可靠性。

4.3.3 反饋與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)電阻（R25）檢測(cè)輸出電壓，經(jīng)誤差放大器 IC（IC21）和光耦合器 IC（IC12）將控制信號(hào)傳輸?shù)匠跫?jí)側(cè)，完成控制環(huán)路。ICE5AR4770BZS - 1 的 FB 引腳是多功能引腳，用于選擇進(jìn)入突發(fā)功率水平和主動(dòng)突發(fā)模式（ABM）期間的突發(fā)開/關(guān)感應(yīng)輸入。

4.4 獨(dú)特特性

4.4.1 Vcc 的快速自啟動(dòng)和維持

IC 啟動(dòng)時(shí)利用封裝內(nèi)集成的共源共柵結(jié)構(gòu)對(duì) VCC 電容充電，GATE 引腳在啟動(dòng)階段作為啟動(dòng)引腳。啟動(dòng)后，IC 的 V 電源由變壓器（TR1）的輔助繞組維持，確保 VCC 高于欠壓鎖定（UVLO）電壓。

4.4.2 頻率降低控制

ICE5AR4770BZS - 1 可在不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）或連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）下工作，具有頻率降低功能。在最大功率時(shí)，控制器以 100kHz 的固定頻率開關(guān)；在輕載和半載之間，通過(guò)降低開關(guān)頻率提高效率。

4.4.3 帶調(diào)制柵極驅(qū)動(dòng)的頻率抖動(dòng)

該控制器具有頻率抖動(dòng)特性，內(nèi)部設(shè)置抖動(dòng)頻率為 100kHz（±4kHz），抖動(dòng)周期為 4ms，有助于降低 EMI 噪聲。

4.4.4 保護(hù)功能確保系統(tǒng)健壯性和可靠性

提供全面的保護(hù)功能，包括 VCC 過(guò)壓和欠壓、過(guò)載、過(guò)溫（控制器結(jié)溫）和 VCC 對(duì)地短路保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，故障排除后恢復(fù)正常運(yùn)行。

4.5 鉗位電路

由二極管、電容和電阻（D11、C15 和 R11）組成的鉗位網(wǎng)絡(luò)，用于降低變壓器（TR1）漏感產(chǎn)生的開關(guān)電壓尖峰。該電路為耗散電路，電阻（R11）和電容（C15）的選擇需要精細(xì)調(diào)整。

4.6 PCB 設(shè)計(jì)建議

• 減小功率環(huán)路：功率環(huán)路應(yīng)盡可能小，包括初級(jí)和次級(jí)功率環(huán)路。初級(jí)功率環(huán)路從大容量電容（C13）正極到負(fù)極，包含電容、變壓器初級(jí)繞組、CoolSET? IC 的 DRAIN 引腳和 CS 引腳以及 CS 電阻；次級(jí)功率環(huán)路包括變壓器次級(jí)繞組、輸出二極管和輸出電容。
• 采用星形接地：使用星形接地連接，避免高頻噪聲耦合影響控制。小信號(hào)元件的接地直接連接到 IC 接地，再連接到電容（C13）的負(fù)極。
• 增加火花間隙圖案：在輸入共模扼流圈（CMC）（L11）下方添加火花間隙（PCB 鋸齒狀，0.5mm 間距）圖案，可提高系統(tǒng)輸入線路浪涌能力。
• 分離高低壓元件：將高壓元件和低壓元件分開，如鉗位電路布置在 PCB 頂部，其他低壓元件布置在下部，減少 ESD 或雷擊浪涌測(cè)試時(shí)的跳火可能性。

五、測(cè)量數(shù)據(jù)與波形

5.1 負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)

測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，在不同負(fù)載和輸入電壓條件下，輸出電壓穩(wěn)定，負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)性能良好。

5.2 效率與輸入電壓關(guān)系

在不同交流輸入電壓下，電源效率較高，在半載到滿載范圍內(nèi)表現(xiàn)出色。

5.3 待機(jī)功率和最大輸出電流

待機(jī)功率低，最大輸出電流在過(guò)載保護(hù)前能滿足設(shè)計(jì)要求。

5.4 波形分析

包括啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、最大負(fù)載時(shí)的開關(guān)波形、頻率抖動(dòng)和調(diào)制柵極驅(qū)動(dòng)、輸出紋波電壓等波形，展示了電源在不同工作狀態(tài)下的性能。

六、熱測(cè)量

在環(huán)境溫度為 25°C 的露天環(huán)境下，對(duì)參考設(shè)計(jì)板進(jìn)行熱測(cè)試。使用紅外熱成像相機(jī)測(cè)量特定元件在最大負(fù)載運(yùn)行一小時(shí)后的溫度。測(cè)試結(jié)果顯示，主要元件在 90VAC 和 264VAC 輸入電壓下的溫度均在合理范圍內(nèi)。

七、總結(jié)

基于 CoolSET? ICE5AR4770BZS - 1 的 15W 空調(diào)輔助開關(guān)電源設(shè)計(jì)具有輕載高效、電路簡(jiǎn)化、保護(hù)功能完善等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)、PCB 布局和元件選擇，該電源滿足了多種性能要求和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)更好的性能和可靠性。大家在設(shè)計(jì)類似電源時(shí)，不妨參考本文中的設(shè)計(jì)思路和方法，相信會(huì)有所收獲。