基于CoolSET™ ICE5BR4780BZ - 1的15W非隔离式空调室外机辅助电源设计

引言

随着智能家居设备的普及，空调等新一代家电具备了无线控制、智能传感和触摸屏显示等先进功能，这对辅助电源的性能提出了更高要求。英飞凌推出的CoolSET™ 5th Generation Fixed Frequency Plus ICE5BR4780BZ - 1开关控制器，为高效、经济地满足这些需求提供了解决方案。

文件下载：Infineon Technologies REF_5BR4780BZ-1_15W1参考板.pdf

设计亮点

轻载高效与低待机功耗

在空调运行中，多数情况下室温稳定，辅助电源处于轻载状态。传统固定频率反激式电源在轻载时开关损耗较大，而ICE5BR4780BZ - 1采用频率降低开关方案，从满载到轻载时降低开关频率，减少开关损耗。在25%负载和标称输入电压条件下，效率可达80%以上。

简化电路与功能集成

CoolSET™开关控制器将控制器和高压MOSFET集成在一个节省空间的DIP - 7封装中，减少了PCB布局和电路设计的复杂性，降低了元件数量。

自动重启保护方案

对于变频空调，保护后系统停止并锁存会给用户和制造商带来困扰。ICE5BR4780BZ - 1为所有故障保护实现了自动重启模式，减少中断，提升用户体验。

电源规格

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位	备注/条件
输入电压	VIN	85	-	264	VAC	两线（无PE）
输入频率	fIN	47	50/60	64	Hz	-
输出电压1	Vo1	-	12	-	V	±1%
输出电流1	Io1	-	-	0.8	A	-
输出电压纹波1	VRPP1	-	-	60	mV	-
输出电压2	Vo2	-	15	-	V	+1%
输出电流2	Io2	-	-	0.15	A	-
输出电压纹波2	VRPP2	-	-	50	mV	-
输出电压3	Vo3	-	5	-	V	±1%
输出电流3	Io3	-	-	0.3	A	-
输出电压纹波3	VRPP3	-	-	50	mV	-
输出功率	Pout	-	13.35	-	W	-
输出过流保护	Iocp	-	-	1.2	A	12V输出
启动时间	tstart_up	-	-	250	ms	-

电路设计

EMI滤波与线路整流

电源输入取自85V AC - 264V AC的交流电网。保险丝F1保护系统免受过流影响，压敏电阻VAR1吸收线路浪涌瞬态能量。X电容C1和共模扼流圈L2降低EMI噪声，热敏电阻R1限制浪涌电流。桥式整流器BR1将交流输入整流为直流电压，由大容量电容C4和C7滤波。

反激转换器功率级

反激转换器功率级由变压器TR1、CoolSET™开关控制器、次级整流二极管D5和D6、次级输出电容C18和C19以及输出滤波电感L4组成。初级HV MOSFET导通时，能量存储在变压器中；关断时，能量释放到输出电容和负载中。次级绕组夹在两层初级绕组之间，减少漏感，提高效率并降低电压尖峰。

反激转换器控制

电流检测（CS）

ICE5BR4780BZ - 1是电流模式开关控制器，通过跨接在CS引脚的电阻R11和R13逐周期控制初级峰值电流，避免变压器饱和，提高系统可靠性。

反馈与补偿网络

电阻R17和R18组成分压器，将输出信号反馈到U1的误差放大器引脚。类型2补偿电容和电阻网络（C8、C9和R4）连接在FB引脚和GND引脚之间，稳定系统。FB引脚还可选择进入突发功率水平和进行突发开/关检测。

独特特性

快速自启动和VCC维持

IC启动时使用集成在封装中的共源共栅结构快速充电VCC电容。上拉电阻R7连接到GATE引脚启动启动阶段。启动后，变压器的辅助绕组维持IC的VCC电源，使其高于欠压锁定（UVLO）电压。

CCM和DCM操作与频率降低

ICE5BR4780BZ - 1可在连续导通模式（CCM）或不连续导通模式（DCM）下运行，并具有频率降低功能。在高输出负载时，控制器以65kHz的固定频率开关；在轻载和中载之间，根据VFB降低开关频率，最低降至28kHz。

频率抖动与调制栅极驱动

ICE5BR4780BZ - 1具有频率抖动功能，内部设置抖动频率为65kHz（±4kHz），抖动周期为4ms，可降低EMI噪声。

保护功能确保系统稳健可靠

ICE5BR4780BZ - 1提供全面的保护功能，包括VCC过压（OV）和欠压（UV）、过载、过温和VCC对地短路保护。当检测到故障时，系统进入保护模式，故障消除后恢复正常运行。

钳位电路

由二极管D2、电容C10和电阻R8、R9、R12组成的钳位网络，用于降低CoolSET™集成HV MOSFET漏极的开关电压尖峰，这些尖峰由变压器的漏感产生。

PCB设计建议

• 开关功率环路应尽可能小，减少辐射EMI。
• 使用星形接地连接，降低高频噪声耦合。
• 分离高压和低压组件，减少雷击浪涌时的跳火风险。
• 将MOSFET的DRAIN引脚的PCB铜箔作为散热片。

EMI降低技巧

• 合理设计变压器，采用交错绕组技术降低漏感，减少EMI。
• 输入共模扼流圈和X电容可降低EMI，但成本较高。
• 缩短开关功率环路设计，减少辐射EMI。
• 输出二极管缓冲电路可降低高频噪声。

性能测试

效率曲线

在不同负载和输入电压条件下，电源的效率表现良好。在25%负载和标称输入电压下，效率可达80%以上。

待机功耗

在最小负载条件下，待机功耗较低，满足节能要求。

线路和负载调节

输出电压在不同负载和输入电压条件下保持稳定，满足±1%的精度要求。

最大输入功率

在过载保护前，最大输入功率能够满足设计要求。

浪涌抗扰度

参考板在EN 61000 - 4 - 5标准的±1kV差模浪涌测试中通过，表现出良好的抗扰能力。

传导发射

在EN 55022 Class B标准下，传导EMI符合要求。

热测量

在满负载运行一小时后，各组件的温度在合理范围内，确保了系统的稳定性。

总结

基于CoolSET™ ICE5BR4780BZ - 1的15W非隔离式空调室外机辅助电源设计，具有轻载高效、低待机功耗、集成度高和保护功能全面等优点。通过合理的电路设计、PCB布局和EMI降低技巧，该电源能够满足空调室外机的各种性能要求，为智能家居时代的空调设备提供了可靠的电源解决方案。各位电子工程师在实际设计中，可根据具体需求对电路进行优化和调整。