基于CoolSET™ ICE5BR2280BZ - 1的22W室内空调辅助电源设计

一、引言

随着智能家居的发展，新一代空调具备了无线控制、智能传感和触摸屏显示等先进功能。为了给这些模块和传感器提供稳定的直流电源，设计高效、可靠的辅助电源变得至关重要。英飞凌推出的CoolSET™ 第五代固定频率增强型ICE5BR2280BZ - 1开关控制器，为这一需求提供了有效的解决方案。

文件下载：Infineon Technologies REF_5BR2280BZ-1_22W1参考板.pdf

二、设计亮点

2.1 轻载高效与低待机功耗

在空调运行中，大部分时间处于室温稳定的闲置状态，辅助电源轻载运行。ICE5BR2280BZ - 1采用频率降低开关方案，在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下，效率可达80%以上。

2.2 简化电路与高度集成

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，减少了元件数量，简化了PCB布局，便于采用传统波峰焊工艺进行制造。

2.3 自动重启保护方案

为了减少系统故障对用户的影响，ICE5BR2280BZ - 1为所有异常保护实现了自动重启模式，避免系统锁定，提高用户体验。

三、设计细节

3.1 参考板设计

该文档提供了完整的设计细节，包括规格、原理图、物料清单（BOM）、PCB布局和变压器设计，以及性能测试结果。

3.2 电源规格

参数	最小值	典型值	最大值	单位	备注
输入电压	85	-	264	V AC	2线（无PE）
输入频率	47	50/60	64	Hz	-
空载输入功率	-	-	120	mW	-
输出电压1	11.88	12	12.12	V	±1%
输出电流1	-	1.4	-	A	-
输出电压纹波1	-	-	120	mV	-
输出电压2	4.95	5	5.05	V	±1%
输出电流2	-	0.3	-	A	-
输出电压纹波2	-	-	75	mV	-
输出电压3	14.85	15	15.15	V	±1%
输出电流3	-	0.15	-	A	-
输出电压纹波3	-	-	100	mV	-
输出功率	-	19.75	-	W	-
过流保护（+12V）	-	1.5	-	A	15V负载0.15A，5V负载0.5A
启动时间	-	250	-	ms	-
效率（最大负载）	75	-	-	%	115V AC/230V AC
平均效率	75	-	-	%	-
单输出最大负载效率	83	-	-	%	-
单输出平均效率	83	-	-	%	-
传导EMI	-	-	6 dB Margin	-	CISPR 22 Class - B
ESD	±6	-	-	kV	EN 61000 - 4 - 2
浪涌抗扰度（差模）	±2	-	-	kV	EN 61000 - 4 - 5
浪涌抗扰度（共模）	±4	-	-	kV	EN 61000 - 4 - 5
PCB尺寸	-	110×57×23	-	mm	长×宽×高

3.3 电路描述

3.3.1 EMI滤波与线路整流

输入电源取自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）吸收线路浪涌能量，X电容（C16）和共模扼流圈（L2）降低EMI噪声，桥式整流器（BR1）将交流输入整流为直流，由大容量电容（C5）滤波。

3.3.2 反激式转换器功率级

由变压器（TR1）、CoolSET™开关控制器、三个次级整流二极管（D1、D3、D4）、次级输出电容（C2、C12、C22）和输出滤波电感（L1）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。

3.3.3 通过CoolSET™控制反激式转换器

• 电流检测：ICE5BR2280BZ - 1通过CS电阻（R14和R16）进行逐周期初级峰值电流控制，避免变压器饱和。
• 反馈与补偿网络：电阻分压器（R24和R27）感测输出电压，通过误差放大器TL431（U4）和光耦（U3）将参考电压发送到反馈（FB）引脚，采用Type II补偿网络（C13、C17和R22）稳定系统。

3.3.4 独特特性

• 快速自启动和VCC维持：采用共源共栅结构快速充电VCC电容，通过连接到GATE引脚的上拉电阻启动。启动后，VCC通常由变压器的辅助绕组维持。
• 带频率降低的CCM、DCM运行：可在不连续传导模式（DCM）或连续传导模式（CCM）下运行，具有频率降低功能，参考板设计为在工作输入电压和负载条件下以DCM模式运行。
• 带调制栅极驱动的频率抖动：频率抖动功能可降低EMI噪声，抖动频率为65kHz的±4%，抖动周期为4ms。
• 通过保护功能提高系统鲁棒性和可靠性：提供VCC过压（OV）和欠压（UV）、过载、过温、VCC对地短路等全面保护。

3.3.5 钳位电路

由二极管、电容和电阻（D2、C6、R2、R5、R9）组成，用于降低CoolSET™开关控制器集成HV MOSFET的DRAIN引脚的开关电压尖峰。

3.3.6 PCB设计建议

• 开关功率环路应尽可能小，包括HV侧和三个输出侧环路。
• 采用星型接地连接减少高频噪声耦合。
• 分离HV和LV组件，减少雷击浪涌时的闪络机会。
• 必要时加宽MOSFET的DRAIN引脚的PCB铜箔作为散热片。

3.4 测量数据和图表

通过实际测量，得到了效率曲线、待机功率、线路和负载调节、最大输入功率、ESD抗扰度、浪涌抗扰度、传导发射和热测量等数据。例如，在不同输入电压和负载条件下，效率表现良好，单输出效率可达82%以上。

3.5 波形和示波器图

记录了满载启动、软启动、Drain和CS电压、频率抖动、负载瞬态响应、输出纹波电压等波形，有助于分析电源的动态性能。

四、总结

基于CoolSET™ ICE5BR2280BZ - 1的22W室内空调辅助电源设计，具有轻载高效、低待机功耗、电路简化和保护功能全面等优点。通过合理的电路设计和PCB布局，满足了电源的各项性能要求。各位工程师在实际应用中，可根据具体需求对设计进行优化和调整。大家在设计过程中遇到过哪些类似的电源设计挑战呢？欢迎在评论区分享。