基于 CoolSET? ICE5AR4770BZS - 1 的 15W 空調輔助開關電源設計

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、智能感應和觸摸屏顯示等先進功能，這就需要穩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型 ICE5AR4770BZS - 1 開關控制器，為高效且經濟地滿足這一需求提供了理想解決方案。

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二、設計亮點

2.1 輕載高效

在空調運行中，多數情況下室溫穩定后，輔助電源處于輕載狀態。傳統固定頻率反激式電源在輕載時開關損耗較大，而 ICE5AR4770BZS - 1 采用頻率降低開關方案，從半載到輕載時降低開關頻率，有效減少了開關損耗。在 25% 負載條件下，效率可達 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計中是否也能借鑒呢？

2.2 電路簡化與高度集成

CoolSET? 開關控制器將控制器和高壓（HV）MOSFET 集成在一個節省空間的 DIP - 7 封裝中。這不僅減少了元件數量，還能將 PCB 設計簡化為單層，便于采用傳統且經濟高效的波峰焊工藝進行制造。對于 PCB 布局和電路設計經驗不足的工程師來說，這無疑是一大福音。

2.3 自動重啟保護

對于空調系統而言，保護觸發后系統停止并鎖定會給用戶和制造商帶來困擾。ICE5AR4770BZS - 1 為所有故障模式實現了自動重啟模式，最大程度減少了系統中斷，提升了用戶體驗。

三、電源規格

該設計的電源規格涵蓋輸入、輸出、效率、環境等多個方面。輸入電壓范圍為 90VAC - 264VAC，頻率為 47Hz - 64Hz，空載輸入功率在 220VAC 時不超過 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 360mV。在效率方面，最大負載時效率可達 83%，25%、50%、75% 和 100% 最大輸出功率時的平均效率較高。同時，該電源滿足 EN 55022 Class - B 傳導 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，工作環境溫度為 0°C - 50°C。大家在實際設計中，要根據具體應用場景對這些規格進行仔細考量。

四、電路設計

4.1 EMI 濾波與線路整流

輸入電源取自 90VAC - 264VAC 的交流電網，保險絲（F1）用于保護系統，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 EMI 噪聲，C11 需為 X 電容等級。電阻（R110 和 R110A）用于在交流斷電時對 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 反激式轉換器功率級

由電容（C13）、變壓器（TR1）、初級高壓 MOSFET（集成在 ICE5AR4770BZS - 1 中）、次級整流二極管（D21）和次級輸出電容（C22 和 C24）組成。當初級高壓 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。變壓器采用三明治繞組結構，減少了漏感和鉗位電路損耗。次級電容采用低 ESR 類型，有效降低了開關紋波，結合初級和次級之間的 Y 電容（C12），進一步降低了 EMI 噪聲，符合 EN 55022 Class - B 規格。

4.3 反激式轉換器控制

4.3.1 集成高壓功率 MOSFET

CoolSET? ICE5AR4770BZS - 1 開關控制器是一款七引腳設備，集成了新的固定頻率 PWM 控制器和 700V 超結（SJ）CoolMOS? 功率 MOSFET，簡化了原理圖和電路設計。

4.3.2 電流檢測（CS）

ICE5AR4770BZS - 1 是電流模式開關控制器，通過連接在 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，提高了系統的健壯性和可靠性。

4.3.3 反饋與補償網絡

通過電阻（R25）檢測輸出電壓，經誤差放大器 IC（IC21）和光耦合器 IC（IC12）將控制信號傳輸到初級側，完成控制環路。ICE5AR4770BZS - 1 的 FB 引腳是多功能引腳，用于選擇進入突發功率水平和主動突發模式（ABM）期間的突發開/關感應輸入。

4.4 獨特特性

4.4.1 Vcc 的快速自啟動和維持

IC 啟動時利用封裝內集成的共源共柵結構對 VCC 電容充電，GATE 引腳在啟動階段作為啟動引腳。啟動后，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 可在不連續傳導模式（DCM）或連續傳導模式（CCM）下工作，具有頻率降低功能。在最大功率時，控制器以 100kHz 的固定頻率開關；在輕載和半載之間，通過降低開關頻率提高效率。

4.4.3 帶調制柵極驅動的頻率抖動

該控制器具有頻率抖動特性，內部設置抖動頻率為 100kHz（±4kHz），抖動周期為 4ms，有助于降低 EMI 噪聲。

4.4.4 保護功能確保系統健壯性和可靠性

提供全面的保護功能，包括 VCC 過壓和欠壓、過載、過溫（控制器結溫）和 VCC 對地短路保護。當檢測到故障時，系統進入保護模式，故障排除后恢復正常運行。

4.5 鉗位電路

由二極管、電容和電阻（D11、C15 和 R11）組成的鉗位網絡，用于降低變壓器（TR1）漏感產生的開關電壓尖峰。該電路為耗散電路，電阻（R11）和電容（C15）的選擇需要精細調整。

4.6 PCB 設計建議

• 減小功率環路：功率環路應盡可能小，包括初級和次級功率環路。初級功率環路從大容量電容（C13）正極到負極，包含電容、變壓器初級繞組、CoolSET? IC 的 DRAIN 引腳和 CS 引腳以及 CS 電阻；次級功率環路包括變壓器次級繞組、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。小信號元件的接地直接連接到 IC 接地，再連接到電容（C13）的負極。
• 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 或雷擊浪涌測試時的跳火可能性。

五、測量數據與波形

5.1 負載調節和線路調節

測量數據顯示，在不同負載和輸入電壓條件下，輸出電壓穩定，負載調節和線路調節性能良好。

5.2 效率與輸入電壓關系

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表現出色。

5.3 待機功率和最大輸出電流

待機功率低，最大輸出電流在過載保護前能滿足設計要求。

5.4 波形分析

包括啟動、軟啟動、最大負載時的開關波形、頻率抖動和調制柵極驅動、輸出紋波電壓等波形，展示了電源在不同工作狀態下的性能。

六、熱測量

在環境溫度為 25°C 的露天環境下，對參考設計板進行熱測試。使用紅外熱成像相機測量特定元件在最大負載運行一小時后的溫度。測試結果顯示，主要元件在 90VAC 和 264VAC 輸入電壓下的溫度均在合理范圍內。

七、總結

基于 CoolSET? ICE5AR4770BZS - 1 的 15W 空調輔助開關電源設計具有輕載高效、電路簡化、保護功能完善等優點。通過合理的電路設計、PCB 布局和元件選擇，該電源滿足了多種性能要求和環境標準。在實際應用中，工程師可以根據具體需求對設計進行優化和調整，以實現更好的性能和可靠性。大家在設計類似電源時，不妨參考本文中的設計思路和方法，相信會有所收獲。