170W AC - DC高效参考设计：XDP™数字电源XDPS2201混合反激控制器

一、引言

在电子设备的电源设计领域，高效、稳定且成本可控的AC - DC转换器一直是工程师们追求的目标。特别是对于电动自行车充电器这类需要恒流和恒压模式的应用场景，一款性能出色的参考设计显得尤为重要。本文将详细介绍一款基于英飞凌XDP™数字电源XDPS2201混合反激控制器的170W AC - DC参考设计，为工程师们在相关设计中提供有价值的参考。

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二、设计概述

2.1 整体架构

该参考设计由主板和CoolSET™子板组成。主板包含混合反激（HFB）级，采用英飞凌的XDP™数字电源XDPS2201混合反激控制器，以及输出调节电路（具有CC控制和CV控制功能）。HFB级可通过禁用按钮禁用，还设有编程接口，用于对XDPS2201进行参数配置和故障模式报告。CoolSET™子板则包含一个准谐振（QR）反激级，采用英飞凌的ICE5AR4770AG反激控制器，为次级侧提供独立的5V辅助电源。

2.2 关键特性

• 超高效率：该转换器具有高达95%的峰值效率，平均效率也相当可观，在不同输入电压和负载条件下都能保持良好的性能。
• 小尺寸变压器：混合反激拓扑使得变压器尺寸非常小，与谐振半桥相当，且远小于标准反激变压器。同时，变压器的构造与标准反激一样简单，无需刻意最小化漏感，从而降低了系统成本。
• 恒流恒压控制：具备两个控制输入，可定义恒流（CC）和恒压（CV）调节回路的设定点，适用于电池充电应用，也可用于标准电源供应应用。

三、测试设置与安全说明

3.1 测试设置

• CC测试设置：通过外部直流源控制(CC{set})值来设置所需的充电电流，默认采用恒定输出电压（(CV{set}=3.0V)，(V_{CV}=42VDC)），使用CV模式的电子负载模拟充电电池。
• CV测试设置：通过外部直流源控制(CV{set})值来设置所需的恒定输出电压，同时通过另一个外部直流源将充电电流设置为高（(CC{set}=3.0V)），使用CC模式的电子负载模拟充电电池。

3.2 安全注意事项

此参考设计存在致命电压，非受过高压电路操作培训的人员不得操作该电路板，且在电路板通电时不得无人看管。此外，为保证安全运行，在连接电池时必须外接电池安全开关。

四、主板规格

4.1 输入输出规格

描述	符号	值	单位
输入电压范围	(V_{in})	198 - 264	V AC
输入频率	(f_{in})	50 - 60	Hz
CC设置范围	(CC_{set})	0 - 3.3	V DC
CV设置范围	(CV_{set})	0 - 3.3	V DC
输出电压范围	(V_{out})	18 - 42	V DC
标称输出电流	(I_{outnom})	4.0	A
最大输出电流	(I_{outmax})	4.22	A
满输出功率效率（(V{in}=230V AC)；输出负载 = 40V；(I{outmax}=4.22A)）	(eta)	大于95	%
平均效率（(V_{in}=230V AC)）	(eta_{avg})	94.7	%

4.2 关键组件与尺寸

• 主板：HFB控制器IC为XDPS2201，MOSFET包括2x IPA60R280P7S、BSC160N15NS5、BSS169，PCB尺寸为155mm x 55.5mm x 27mm。
• CoolSET™子板：控制器IC + 集成CoolMOS™为ICE5AR4770AG，PCB尺寸为50mm x 25mm x 14mm。

五、性能数据

5.1 效率

在不同输入电压下测量效率，通过CV模式的电子负载模拟电池负载，电路板置于实验室桌面，采用自由空气对流散热。从测量数据来看，在不同输入电压和负载条件下，效率表现良好，平均效率可达94.7%左右。

5.2 充电行为

采用CC - CV充电方法，在不同电池电压下实现不同的充电电流。例如，在电池电压18V - 27V时，预充电电流为0.5A；在电池电压达到42V时，CV控制接管并相应限制电池电压。充电精度取决于电压感测电阻网络的公差和参考电压的精度。

5.3 待机功率

在无输出负载时，HFB工作在CV模式，XDP数字电源XDPS2201控制器由CoolSET™子板供电。测量结果显示了无负载条件下的输入功率消耗情况。

5.4 热测量

在标称输出负载下运行一小时后，使用红外热成像相机进行开架热测量。测量结果显示了PCB顶面和底面各关键组件的温度，如SR MOSFET OptiMOS™、变压器、半桥CoolMOS™等组件的温度情况。

5.5 传导发射

根据EN 55014标准对电池充电器进行满输出功率下的传导发射测试。测量在相和中性配置下进行，额定电压为230V AC/50Hz，除个别点外，测量结果与限制值有6dB的裕量。

六、开关波形

6.1 启动

在满载条件下，HFB以连续谐振模式（CRM）启动；在无负载条件下，HFB保持在突发模式（BM）。

6.2 运行模式

HFB具有多种运行模式，以在不同的线路、负载电流和输出电压范围内优化效率。满载时为CRM模式，中等负载时为零电压谐振谷开关（ZV - RVS）模式，轻载和无负载时为BM模式。

6.3 保护功能

XDP™数字电源XDPS2201具有多种保护功能，包括过流保护（OCP）、输入过压保护（(Vin{OVP})）和输出欠压保护（(Vin{UVP})）。一旦触发保护，相应的错误代码将从MFIO引脚发出。

七、物料清单与规格

7.1 主板物料清单

主板包含各种电容、二极管、电阻、MOSFET、变压器、控制器IC等组件，详细列出了每个组件的规格、制造商和零件编号。

7.2 CoolSET™子板物料清单

CoolSET™子板同样包含多种电容、二极管、电阻、电感、控制器IC等组件，也给出了相应的规格和零件信息。

7.3 变压器规格

详细说明了变压器的机械尺寸、电气规格，如匝数比、电感值、直流电阻、耐压等参数。

八、总结

这款基于XDP™数字电源XDPS2201混合反激控制器的170W AC - DC参考设计，在效率、尺寸、功能等方面都表现出色。其超高的效率和多种保护功能使其非常适合电动自行车充电器等需要恒流恒压模式的应用。工程师们在进行相关设计时，可以参考该设计的架构、组件选择和性能数据，以实现高效、稳定的电源设计。大家在实际应用中，是否也遇到过类似设计的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。