16W非隔離輔助電源設(shè)計(jì)：用于室外空調(diào)的CoolSET?方案

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、智能傳感和觸摸屏顯示等先進(jìn)功能。為了支持這些功能，需要一個(gè)高效、可靠且易于設(shè)計(jì)的輔助電源。英飛凌推出的CoolSET?第五代固定頻率增強(qiáng)型ICE5BR3995BZ - 1開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)亮點(diǎn)

2.1 輕載高效與低待機(jī)功耗

在空調(diào)運(yùn)行中，多數(shù)時(shí)間處于室溫穩(wěn)定的輕載狀態(tài)。ICE5BR3995BZ - 1采用頻率降低開(kāi)關(guān)方案，從滿載到輕載時(shí)降低開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗。在25%負(fù)載和標(biāo)稱輸入電壓下，效率可達(dá)80%以上。

2.2 集成度高與簡(jiǎn)化電路

CoolSET?將控制器和高壓MOSFET集成在一個(gè)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(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

2.3 自動(dòng)重啟保護(hù)機(jī)制

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

三、參考板設(shè)計(jì)

文檔提供了完整的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，包括規(guī)格、原理圖、物料清單（BOM）、PCB布局和變壓器設(shè)計(jì)等，還包含了線路/負(fù)載調(diào)節(jié)、效率、瞬態(tài)負(fù)載、熱條件和傳導(dǎo)EMI掃描等性能測(cè)試結(jié)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(lái)自85V AC ~ 264V AC的交流電網(wǎng)。保險(xiǎn)絲（F1）保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)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(zhuǎn)換為直流，由大容量電容（C4和C7）濾波。

5.2 反激轉(zhuǎn)換器功率級(jí)

由變壓器（TR1）、CoolSET?、次級(jí)整流二極管（D5和D6）、次級(jí)輸出電容（C18和C19）和輸出濾波電感（L4）組成。初級(jí)HV 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和負(fù)載。次級(jí)繞組夾在兩層初級(jí)繞組之間，減少漏感，提高效率并降低電壓尖峰。

5.3 通過(guò)CoolSET?控制反激轉(zhuǎn)換器

5.3.1 電流檢測(cè)

ICE5BR3995BZ - 1是電流模式開(kāi)關(guān)控制器，通過(guò)CS引腳（引腳3）的電流檢測(cè)電阻（R11和R13）逐周期控制初級(jí)峰值電流，避免變壓器飽和。

5.3.2 反饋與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

電阻（R17和R18）組成分壓器，將輸出信號(hào)反饋到U1的誤差放大器引腳（引腳1）。II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（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(kāi)/關(guān)檢測(cè)。

5.4 獨(dú)特特性

5.4.1 Vcc快速自啟動(dòng)和維持

IC采用共源共柵結(jié)構(gòu)快速充電VCC電容。連接到GATE引腳（引腳4）的上拉電阻（R7）啟動(dòng)啟動(dòng)階段。啟動(dòng)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(dǎo)通模式（CCM）或不連續(xù)導(dǎo)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(fù)載條件下設(shè)計(jì)為DCM模式。輕載到中載時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率根據(jù)VFB降低，最低至28kHz。

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

ICE5BR3995BZ - 1具有頻率抖動(dòng)特性，內(nèi)部設(shè)置抖動(dòng)頻率為65kHz（±4kHz），抖動(dòng)周期為4ms，降低EMI噪聲。

5.4.4 保護(hù)特性確保系統(tǒng)穩(wěn)健可靠

提供全面保護(hù)，包括VCC過(guò)壓（OV）和欠壓（UV）、過(guò)載、過(guò)溫和VCC對(duì)地短路保護(hù)。故障檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式；故障消除后，恢復(fù)正常運(yùn)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(kāi)關(guān)電壓尖峰。

5.6 PCB設(shè)計(jì)建議

• 開(kāi)關(guān)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(shí)的飛弧風(fēng)險(xiǎn)。
• 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(xì)列出了電路所需的元件，包括型號(hào)、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(jí)電感Lp = 820μH（±10%），并給出了繞組匝數(shù)、線徑和層間關(guān)系。

九、測(cè)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(fù)載條件下的效率，輕載到滿載效率表現(xiàn)良好。

9.2 待機(jī)功耗

在不同輸入電壓下，待機(jī)功耗較低。

9.3 線路和負(fù)載調(diào)節(jié)

輸出電壓在不同輸入電壓和負(fù)載變化時(shí)保持穩(wěn)定。

9.4 最大輸入功率

在過(guò)載保護(hù)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(cè)試中通過(guò)，表現(xiàn)出良好的抗擾能力。

9.6 傳導(dǎo)發(fā)射（EN 55022 Class B）

在115V AC和230V AC滿載下，傳導(dǎo)EMI測(cè)試通過(guò)，有超過(guò)10dB的裕量。

9.7 熱測(cè)量

在25°C環(huán)境溫度下滿載運(yùn)行一小時(shí)后，使用紅外熱成像相機(jī)測(cè)量組件溫度，各組件溫度在合理范圍內(nèi)。

9.8 +18V軌調(diào)節(jié)（LDO輸入）

+18V軌在不同負(fù)載組合和線路條件下，電壓在18.51V至22.26V之間，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

十、波形和示波器圖

記錄了啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、漏極和CS電壓、頻率抖動(dòng)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、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(jié)

英飛凌的CoolSET? ICE5BR3995BZ - 1開(kāi)關(guān)控制器為室外空調(diào)的16W非隔離輔助電源設(shè)計(jì)提供了高效、可靠的解決方案。通過(guò)其獨(dú)特的特性和全面的保護(hù)功能，滿足了現(xiàn)代空調(diào)對(duì)輔助電源的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)這些參考設(shè)計(jì)和測(cè)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(shí)際設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些類(lèi)似電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。