基于 CoolSET™ ICE5AR4770BZS - 1 的 15W 空调辅助开关电源设计

一、引言

随着智能家居设备的普及，新一代空调等家电具备了无线控制、智能感应和触摸屏显示等先进功能，这就需要稳定的直流电源为各种模块和传感器供电。英飞凌推出的 CoolSET™ 第五代固定频率增强型 ICE5AR4770BZS - 1 开关控制器，为高效且经济地满足这一需求提供了理想解决方案。

文件下载：Infineon Technologies REF_5AR4770BZS-1_15W1 评估板.pdf

二、设计亮点

2.1 轻载高效

在空调运行中，多数情况下室温稳定后，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 ICE5AR4770BZS - 1 采用频率降低开关方案，从半载到轻载时降低开关频率，有效减少了开关损耗。在 25% 负载条件下，效率可达 80% 以上，满足 ENERGY STAR 要求。大家可以思考一下，这种频率降低方案在其他电源设计中是否也能借鉴呢？

2.2 电路简化与高度集成

CoolSET™ 开关控制器将控制器和高压（HV）MOSFET 集成在一个节省空间的 DIP - 7 封装中。这不仅减少了元件数量，还能将 PCB 设计简化为单层，便于采用传统且经济高效的波峰焊工艺进行制造。对于 PCB 布局和电路设计经验不足的工程师来说，这无疑是一大福音。

2.3 自动重启保护

对于空调系统而言，保护触发后系统停止并锁定会给用户和制造商带来困扰。ICE5AR4770BZS - 1 为所有故障模式实现了自动重启模式，最大程度减少了系统中断，提升了用户体验。

三、电源规格

该设计的电源规格涵盖输入、输出、效率、环境等多个方面。输入电压范围为 90VAC - 264VAC，频率为 47Hz - 64Hz，空载输入功率在 220VAC 时不超过 0.06W。输出电压为 12V，输出电流范围为 0.03A - 1.25A，最大输出功率为 15W，输出电压纹波不超过 360mV。在效率方面，最大负载时效率可达 83%，25%、50%、75% 和 100% 最大输出功率时的平均效率较高。同时，该电源满足 EN 55022 Class - B 传导 EMI 要求，ESD 抗扰度为 ±8kV，差模浪涌抗扰度为 ±2kV，共模浪涌抗扰度为 ±4kV，工作环境温度为 0°C - 50°C。大家在实际设计中，要根据具体应用场景对这些规格进行仔细考量。

四、电路设计

4.1 EMI 滤波与线路整流

输入电源取自 90VAC - 264VAC 的交流电网，保险丝（F1）用于保护系统，压敏电阻（VAR）吸收线路浪涌瞬变。L11 和 C11 组成滤波器，衰减差模和共模传导 EMI 噪声，C11 需为 X 电容等级。电阻（R110 和 R110A）用于在交流断电时对 X 电容放电，满足安全要求。桥式整流器（BR1）将交流输入整流为直流电压，由大容量电容（C13）滤波。

4.2 反激式转换器功率级

由电容（C13）、变压器（TR1）、初级高压 MOSFET（集成在 ICE5AR4770BZS - 1 中）、次级整流二极管（D21）和次级输出电容（C22 和 C24）组成。当初级高压 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。变压器采用三明治绕组结构，减少了漏感和钳位电路损耗。次级电容采用低 ESR 类型，有效降低了开关纹波，结合初级和次级之间的 Y 电容（C12），进一步降低了 EMI 噪声，符合 EN 55022 Class - B 规格。

4.3 反激式转换器控制

4.3.1 集成高压功率 MOSFET

CoolSET™ ICE5AR4770BZS - 1 开关控制器是一款七引脚设备，集成了新的固定频率 PWM 控制器和 700V 超结（SJ）CoolMOS™ 功率 MOSFET，简化了原理图和电路设计。

4.3.2 电流检测（CS）

ICE5AR4770BZS - 1 是电流模式开关控制器，通过连接在 CS 引脚和地之间的电阻（R14 和 R14A）逐周期控制峰值电流，避免变压器饱和，提高了系统的健壮性和可靠性。

4.3.3 反馈与补偿网络

通过电阻（R25）检测输出电压，经误差放大器 IC（IC21）和光耦合器 IC（IC12）将控制信号传输到初级侧，完成控制环路。ICE5AR4770BZS - 1 的 FB 引脚是多功能引脚，用于选择进入突发功率水平和主动突发模式（ABM）期间的突发开/关感应输入。

4.4 独特特性

4.4.1 Vcc 的快速自启动和维持

IC 启动时利用封装内集成的共源共栅结构对 VCC 电容充电，GATE 引脚在启动阶段作为启动引脚。启动后，IC 的 V 电源由变压器（TR1）的辅助绕组维持，确保 VCC 高于欠压锁定（UVLO）电压。

4.4.2 频率降低控制

ICE5AR4770BZS - 1 可在不连续传导模式（DCM）或连续传导模式（CCM）下工作，具有频率降低功能。在最大功率时，控制器以 100kHz 的固定频率开关；在轻载和半载之间，通过降低开关频率提高效率。

4.4.3 带调制栅极驱动的频率抖动

该控制器具有频率抖动特性，内部设置抖动频率为 100kHz（±4kHz），抖动周期为 4ms，有助于降低 EMI 噪声。

4.4.4 保护功能确保系统健壮性和可靠性

提供全面的保护功能，包括 VCC 过压和欠压、过载、过温（控制器结温）和 VCC 对地短路保护。当检测到故障时，系统进入保护模式，故障排除后恢复正常运行。

4.5 钳位电路

由二极管、电容和电阻（D11、C15 和 R11）组成的钳位网络，用于降低变压器（TR1）漏感产生的开关电压尖峰。该电路为耗散电路，电阻（R11）和电容（C15）的选择需要精细调整。

4.6 PCB 设计建议

• 减小功率环路：功率环路应尽可能小，包括初级和次级功率环路。初级功率环路从大容量电容（C13）正极到负极，包含电容、变压器初级绕组、CoolSET™ IC 的 DRAIN 引脚和 CS 引脚以及 CS 电阻；次级功率环路包括变压器次级绕组、输出二极管和输出电容。
• 采用星形接地：使用星形接地连接，避免高频噪声耦合影响控制。小信号元件的接地直接连接到 IC 接地，再连接到电容（C13）的负极。
• 增加火花间隙图案：在输入共模扼流圈（CMC）（L11）下方添加火花间隙（PCB 锯齿状，0.5mm 间距）图案，可提高系统输入线路浪涌能力。
• 分离高低压元件：将高压元件和低压元件分开，如钳位电路布置在 PCB 顶部，其他低压元件布置在下部，减少 ESD 或雷击浪涌测试时的跳火可能性。

五、测量数据与波形

5.1 负载调节和线路调节

测量数据显示，在不同负载和输入电压条件下，输出电压稳定，负载调节和线路调节性能良好。

5.2 效率与输入电压关系

在不同交流输入电压下，电源效率较高，在半载到满载范围内表现出色。

5.3 待机功率和最大输出电流

待机功率低，最大输出电流在过载保护前能满足设计要求。

5.4 波形分析

包括启动、软启动、最大负载时的开关波形、频率抖动和调制栅极驱动、输出纹波电压等波形，展示了电源在不同工作状态下的性能。

六、热测量

在环境温度为 25°C 的露天环境下，对参考设计板进行热测试。使用红外热成像相机测量特定元件在最大负载运行一小时后的温度。测试结果显示，主要元件在 90VAC 和 264VAC 输入电压下的温度均在合理范围内。

七、总结

基于 CoolSET™ ICE5AR4770BZS - 1 的 15W 空调辅助开关电源设计具有轻载高效、电路简化、保护功能完善等优点。通过合理的电路设计、PCB 布局和元件选择，该电源满足了多种性能要求和环境标准。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对设计进行优化和调整，以实现更好的性能和可靠性。大家在设计类似电源时，不妨参考本文中的设计思路和方法，相信会有所收获。