16W非隔離輔助電源設計：用于室外空調的CoolSET?方案

一、引言

隨著智能家居設備的普及，新一代空調等家電具備了無線控制、智能傳感和觸摸屏顯示等先進功能。為了支持這些功能，需要一個高效、可靠且易于設計的輔助電源。英飛凌推出的CoolSET?第五代固定頻率增強型ICE5BR3995BZ - 1開關控制器，為滿足這一需求提供了有效的解決方案。

文件下載：Infineon Technologies REF_5BR3995BZ-1_16W1參考板.pdf

二、設計亮點

2.1 輕載高效與低待機功耗

在空調運行中，多數(shù)時間處于室溫穩(wěn)定的輕載狀態(tài)。ICE5BR3995BZ - 1采用頻率降低開關方案，從滿載到輕載時降低開關頻率，減少開關損耗。在25%負載和標稱輸入電壓下，效率可達80%以上。

2.2 集成度高與簡化電路

CoolSET?將控制器和高壓MOSFET集成在一個節(jié)省空間的DIP - 7封裝中，減少了元件數(shù)量，降低了PCB布局和電路設計的復雜度。

2.3 自動重啟保護機制

對于室外空調，系統(tǒng)故障后自動重啟可減少中斷，提升用戶體驗。ICE5BR3995BZ - 1為所有異常保護提供自動重啟模式。

三、參考板設計

文檔提供了完整的設計細節(jié)，包括規(guī)格、原理圖、物料清單（BOM）、PCB布局和變壓器設計等，還包含了線路/負載調節(jié)、效率、瞬態(tài)負載、熱條件和傳導EMI掃描等性能測試結果。

四、電源規(guī)格

五、電路描述

5.1 EMI濾波與線路整流

輸入電源來自85V AC ~ 264V AC的交流電網。保險絲（F1）保護系統(tǒng)免受過流影響，壓敏電阻（VAR1）吸收線路浪涌能量，X電容（C1）和共模扼流圈（L2）降低EMI噪聲，熱敏電阻（R1）限制浪涌電流，橋式整流器（BR1）將交流轉換為直流，由大容量電容（C4和C7）濾波。

5.2 反激轉換器功率級

由變壓器（TR1）、CoolSET?、次級整流二極管（D5和D6）、次級輸出電容（C18和C19）和輸出濾波電感（L4）組成。初級HV MOSFET導通時，能量存儲在變壓器中；關斷時，能量釋放到輸出電容和負載。次級繞組夾在兩層初級繞組之間，減少漏感，提高效率并降低電壓尖峰。

5.3 通過CoolSET?控制反激轉換器

5.3.1 電流檢測

ICE5BR3995BZ - 1是電流模式開關控制器，通過CS引腳（引腳3）的電流檢測電阻（R11和R13）逐周期控制初級峰值電流，避免變壓器飽和。

5.3.2 反饋與補償網絡

電阻（R17和R18）組成分壓器，將輸出信號反饋到U1的誤差放大器引腳（引腳1）。II型補償網絡（C8、C9和R4）連接在FB引腳（引腳2）和GND引腳（引腳8）之間，穩(wěn)定系統(tǒng)。FB引腳還用于選擇突發(fā)功率水平和ABM期間的突發(fā)開/關檢測。

5.4 獨特特性

5.4.1 Vcc快速自啟動和維持

IC采用共源共柵結構快速充電VCC電容。連接到GATE引腳（引腳4）的上拉電阻（R7）啟動啟動階段。啟動后，IC的VCC電源通常由變壓器的輔助繞組維持。

5.4.2 CCM、DCM頻率降低操作

ICE5BR3995BZ - 1可在連續(xù)導通模式（CCM）或不連續(xù)導通模式（DCM）下工作，并具有頻率降低功能。參考板在工作輸入電壓和負載條件下設計為DCM模式。輕載到中載時，開關頻率根據(jù)VFB降低，最低至28kHz。

5.4.3 帶調制柵極驅動的頻率抖動

ICE5BR3995BZ - 1具有頻率抖動特性，內部設置抖動頻率為65kHz（±4kHz），抖動周期為4ms，降低EMI噪聲。

5.4.4 保護特性確保系統(tǒng)穩(wěn)健可靠

提供全面保護，包括VCC過壓（OV）和欠壓（UV）、過載、過溫和VCC對地短路保護。故障檢測時，系統(tǒng)進入保護模式；故障消除后，恢復正常運行。

5.5 鉗位電路

由二極管（D2）、電容（C10）和電阻（R8、R9、R12）組成，降低CoolSET?集成HV MOSFET的DRAIN端的開關電壓尖峰。

5.6 PCB設計建議

• 開關功率環(huán)路盡可能小，減少高頻噪聲耦合。
• 使用星形接地連接，分離HV和LV組件，降低雷擊浪涌時的飛弧風險。
• 將MOSFET的DRAIN引腳的PCB銅箔作為散熱片。

六、PCB布局

提供了頂層和底層的組件布局圖，確保電路的性能和穩(wěn)定性。

七、物料清單

詳細列出了電路所需的元件，包括型號、制造商和數(shù)量。

八、變壓器規(guī)格

核心名稱和材料為EE25/13/7，TP4A（TDG），初級電感Lp = 820μH（±10%），并給出了繞組匝數(shù)、線徑和層間關系。

九、測量數(shù)據(jù)和圖表

9.1 效率曲線

展示了不同輸入電壓和負載條件下的效率，輕載到滿載效率表現(xiàn)良好。

9.2 待機功耗

在不同輸入電壓下，待機功耗較低。

9.3 線路和負載調節(jié)

輸出電壓在不同輸入電壓和負載變化時保持穩(wěn)定。

9.4 最大輸入功率

在過載保護前，最大輸入功率和輸出電流隨輸入電壓變化。

9.5 浪涌抗擾度（EN 61000 - 4 - 5）

參考板在±2kV差模浪涌測試中通過，表現(xiàn)出良好的抗擾能力。

9.6 傳導發(fā)射（EN 55022 Class B）

在115V AC和230V AC滿載下，傳導EMI測試通過，有超過10dB的裕量。

9.7 熱測量

在25°C環(huán)境溫度下滿載運行一小時后，使用紅外熱成像相機測量組件溫度，各組件溫度在合理范圍內。

9.8 +18V軌調節(jié)（LDO輸入）

+18V軌在不同負載組合和線路條件下，電壓在18.51V至22.26V之間，滿足設計目標。

十、波形和示波器圖

記錄了啟動、軟啟動、漏極和CS電壓、頻率抖動、負載瞬態(tài)響應、輸出紋波電壓等波形，直觀展示了電路的工作狀態(tài)。

十一、總結

英飛凌的CoolSET? ICE5BR3995BZ - 1開關控制器為室外空調的16W非隔離輔助電源設計提供了高效、可靠的解決方案。通過其獨特的特性和全面的保護功能，滿足了現(xiàn)代空調對輔助電源的需求。在實際設計中，工程師可以根據(jù)這些參考設計和測量數(shù)據(jù)，優(yōu)化電路性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實際設計中遇到過哪些類似電源設計的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享。