基于CoolSET? ICE5BR4780BZ - 1的15W非隔離式空調室外機輔助電源設計

引言

隨著智能家居設備的普及，空調等新一代家電具備了無線控制、智能傳感和觸摸屏顯示等先進功能，這對輔助電源的性能提出了更高要求。英飛凌推出的CoolSET? 5th Generation Fixed Frequency Plus ICE5BR4780BZ - 1開關控制器，為高效、經濟地滿足這些需求提供了解決方案。

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設計亮點

輕載高效與低待機功耗

在空調運行中，多數情況下室溫穩定，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ICE5BR4780BZ - 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條件下，效率可達80%以上。

簡化電路與功能集成

CoolSET?開關控制器將控制器和高壓MOSFET集成在一個節省空間的DIP - 7封裝中，減少了PCB布局和電路設計的復雜性，降低了元件數量。

自動重啟保護方案

對于變頻空調，保護后系統停止并鎖存會給用戶和制造商帶來困擾。ICE5BR4780BZ - 1為所有故障保護實現了自動重啟模式，減少中斷，提升用戶體驗。

電源規格

電路設計

EMI濾波與線路整流

電源輸入取自85V AC - 264V AC的交流電網。保險絲F1保護系統免受過流影響，壓敏電阻VAR1吸收線路浪涌瞬態能量。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將交流輸入整流為直流電壓，由大容量電容C4和C7濾波。

反激轉換器功率級

反激轉換器功率級由變壓器TR1、CoolSET?開關控制器、次級整流二極管D5和D6、次級輸出電容C18和C19以及輸出濾波電感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中。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。

反激轉換器控制

電流檢測（CS）

ICE5BR4780BZ - 1是電流模式開關控制器，通過跨接在CS引腳的電阻R11和R13逐周期控制初級峰值電流，避免變壓器飽和，提高系統可靠性。

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。類型2補償電容和電阻網絡（C8、C9和R4）連接在FB引腳和GND引腳之間，穩定系統。FB引腳還可選擇進入突發功率水平和進行突發開/關檢測。

獨特特性

快速自啟動和VCC維持

IC啟動時使用集成在封裝中的共源共柵結構快速充電VCC電容。上拉電阻R7連接到GATE引腳啟動啟動階段。啟動后，變壓器的輔助繞組維持IC的VCC電源，使其高于欠壓鎖定（UVLO）電壓。

CCM和DCM操作與頻率降低

ICE5BR4780BZ - 1可在連續導通模式（CCM）或不連續導通模式（DCM）下運行，并具有頻率降低功能。在高輸出負載時，控制器以65kHz的固定頻率開關；在輕載和中載之間，根據VFB降低開關頻率，最低降至28kHz。

頻率抖動與調制柵極驅動

ICE5BR4780BZ - 1具有頻率抖動功能，內部設置抖動頻率為65kHz（±4kHz），抖動周期為4ms，可降低EMI噪聲。

保護功能確保系統穩健可靠

ICE5BR4780BZ - 1提供全面的保護功能，包括VCC過壓（OV）和欠壓（UV）、過載、過溫和VCC對地短路保護。當檢測到故障時，系統進入保護模式，故障消除后恢復正常運行。

鉗位電路

由二極管D2、電容C10和電阻R8、R9、R12組成的鉗位網絡，用于降低CoolSET?集成HV MOSFET漏極的開關電壓尖峰，這些尖峰由變壓器的漏感產生。

PCB設計建議

• 開關功率環路應盡可能小，減少輻射EMI。
• 使用星形接地連接，降低高頻噪聲耦合。
• 分離高壓和低壓組件，減少雷擊浪涌時的跳火風險。
• 將MOSFET的DRAIN引腳的PCB銅箔作為散熱片。

EMI降低技巧

• 合理設計變壓器，采用交錯繞組技術降低漏感，減少EMI。
• 輸入共模扼流圈和X電容可降低EMI，但成本較高。
• 縮短開關功率環路設計，減少輻射EMI。
• 輸出二極管緩沖電路可降低高頻噪聲。

性能測試

效率曲線

在不同負載和輸入電壓條件下，電源的效率表現良好。在25%負載和標稱輸入電壓下，效率可達80%以上。

待機功耗

在最小負載條件下，待機功耗較低，滿足節能要求。

線路和負載調節

輸出電壓在不同負載和輸入電壓條件下保持穩定，滿足±1%的精度要求。

最大輸入功率

在過載保護前，最大輸入功率能夠滿足設計要求。

浪涌抗擾度

參考板在EN 61000 - 4 - 5標準的±1kV差模浪涌測試中通過，表現出良好的抗擾能力。

傳導發射

在EN 55022 Class B標準下，傳導EMI符合要求。

熱測量

在滿負載運行一小時后，各組件的溫度在合理范圍內，確保了系統的穩定性。

總結

基于CoolSET? ICE5BR4780BZ - 1的15W非隔離式空調室外機輔助電源設計，具有輕載高效、低待機功耗、集成度高和保護功能全面等優點。通過合理的電路設計、PCB布局和EMI降低技巧，該電源能夠滿足空調室外機的各種性能要求，為智能家居時代的空調設備提供了可靠的電源解決方案。各位電子工程師在實際設計中，可根據具體需求對電路進行優化和調整。