16W非隔离辅助电源设计：用于室外空调的CoolSET™方案

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、智能传感和触摸屏显示等先进功能。为了支持这些功能，需要一个高效、可靠且易于设计的辅助电源。英飞凌推出的CoolSET™第五代固定频率增强型ICE5BR3995BZ - 1开关控制器，为满足这一需求提供了有效的解决方案。

文件下载：Infineon Technologies REF_5BR3995BZ-1_16W1参考板.pdf

二、设计亮点

2.1 轻载高效与低待机功耗

在空调运行中，多数时间处于室温稳定的轻载状态。ICE5BR3995BZ - 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下，效率可达80%以上。

2.2 集成度高与简化电路

CoolSET™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，降低了PCB布局和电路设计的复杂度。

2.3 自动重启保护机制

对于室外空调，系统故障后自动重启可减少中断，提升用户体验。ICE5BR3995BZ - 1为所有异常保护提供自动重启模式。

三、参考板设计

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布局和变压器设计等，还包含了线路/负载调节、效率、瞬态负载、热条件和传导EMI扫描等性能测试结果。

四、电源规格

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位	备注
输入电压	VIN	85	-	264	VAC	两线（无PE）
输入频率	fuNE	47	50/60	64	Hz	-
输出电压1	VoUT1	-	12	-	V	±1%
输出电流1	luT1	-	-	0.9	A	-
输出电压纹波1	VRIPPLE1	-	-	60	mV	-
输出电压2	VouT2	-	15	-	V	±1%
输出电流2	louT2	-	-	0.15	A	-
输出电压纹波2	VRIPPLE2	-	-	50	mV	-
输出电压3	VouT3	-	5	-	V	±1%
输出电流3	louT3	-	-	0.3	A	-
输出电压纹波3	VRIPPLE3	-	-	50	mV	-
输出功率	POUT_Nom	-	13.35	-	W	-
过流保护（+12V）	locp	-	-	1.3	A	其他输出满载
启动时间	tstart_up	-	-	250	ms	-
传导EMI	-	10	-	-	dB	裕量，CISPR 22 Class B
浪涌抗扰度（差模）	-	+2	-	-	kV	EN 61000 - 4 - 5
PCBA尺寸	-	-	80x57x27	-	mm	LxWxH

五、电路描述

5.1 EMI滤波与线路整流

输入电源来自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（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）将交流转换为直流，由大容量电容（C4和C7）滤波。

5.2 反激转换器功率级

由变压器（TR1）、CoolSET™、次级整流二极管（D5和D6）、次级输出电容（C18和C19）和输出滤波电感（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。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。

5.3 通过CoolSET™控制反激转换器

5.3.1 电流检测

ICE5BR3995BZ - 1是电流模式开关控制器，通过CS引脚（引脚3）的电流检测电阻（R11和R13）逐周期控制初级峰值电流，避免变压器饱和。

5.3.2 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（引脚1）。II型补偿网络（C8、C9和R4）连接在FB引脚（引脚2）和GND引脚（引脚8）之间，稳定系统。FB引脚还用于选择突发功率水平和ABM期间的突发开/关检测。

5.4 独特特性

5.4.1 Vcc快速自启动和维持

IC采用共源共栅结构快速充电VCC电容。连接到GATE引脚（引脚4）的上拉电阻（R7）启动启动阶段。启动后，IC的VCC电源通常由变压器的辅助绕组维持。

5.4.2 CCM、DCM频率降低操作

ICE5BR3995BZ - 1可在连续导通模式（CCM）或不连续导通模式（DCM）下工作，并具有频率降低功能。参考板在工作输入电压和负载条件下设计为DCM模式。轻载到中载时，开关频率根据VFB降低，最低至28kHz。

5.4.3 带调制栅极驱动的频率抖动

ICE5BR3995BZ - 1具有频率抖动特性，内部设置抖动频率为65kHz（±4kHz），抖动周期为4ms，降低EMI噪声。

5.4.4 保护特性确保系统稳健可靠

提供全面保护，包括VCC过压（OV）和欠压（UV）、过载、过温和VCC对地短路保护。故障检测时，系统进入保护模式；故障消除后，恢复正常运行。

5.5 钳位电路

由二极管（D2）、电容（C10）和电阻（R8、R9、R12）组成，降低CoolSET™集成HV MOSFET的DRAIN端的开关电压尖峰。

5.6 PCB设计建议

• 开关功率环路尽可能小，减少高频噪声耦合。
• 使用星形接地连接，分离HV和LV组件，降低雷击浪涌时的飞弧风险。
• 将MOSFET的DRAIN引脚的PCB铜箔作为散热片。

六、PCB布局

提供了顶层和底层的组件布局图，确保电路的性能和稳定性。

七、物料清单

详细列出了电路所需的元件，包括型号、制造商和数量。

八、变压器规格

核心名称和材料为EE25/13/7，TP4A（TDG），初级电感Lp = 820μH（±10%），并给出了绕组匝数、线径和层间关系。

九、测量数据和图表

9.1 效率曲线

展示了不同输入电压和负载条件下的效率，轻载到满载效率表现良好。

9.2 待机功耗

在不同输入电压下，待机功耗较低。

9.3 线路和负载调节

输出电压在不同输入电压和负载变化时保持稳定。

9.4 最大输入功率

在过载保护前，最大输入功率和输出电流随输入电压变化。

9.5 浪涌抗扰度（EN 61000 - 4 - 5）

参考板在±2kV差模浪涌测试中通过，表现出良好的抗扰能力。

9.6 传导发射（EN 55022 Class B）

在115V AC和230V AC满载下，传导EMI测试通过，有超过10dB的裕量。

9.7 热测量

在25°C环境温度下满载运行一小时后，使用红外热成像相机测量组件温度，各组件温度在合理范围内。

9.8 +18V轨调节（LDO输入）

+18V轨在不同负载组合和线路条件下，电压在18.51V至22.26V之间，满足设计目标。

十、波形和示波器图

记录了启动、软启动、漏极和CS电压、频率抖动、负载瞬态响应、输出纹波电压等波形，直观展示了电路的工作状态。

十一、总结

英飞凌的CoolSET™ ICE5BR3995BZ - 1开关控制器为室外空调的16W非隔离辅助电源设计提供了高效、可靠的解决方案。通过其独特的特性和全面的保护功能，满足了现代空调对辅助电源的需求。在实际设计中，工程师可以根据这些参考设计和测量数据，优化电路性能，确保系统的稳定性和可靠性。你在实际设计中遇到过哪些类似电源设计的挑战呢？欢迎在评论区分享。