170W AC - DC高效參考設(shè)計：XDP?數(shù)字電源XDPS2201混合反激控制器

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定且成本可控的AC - DC轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標(biāo)。特別是對于電動自行車充電器這類需要恒流和恒壓模式的應(yīng)用場景，一款性能出色的參考設(shè)計顯得尤為重要。本文將詳細(xì)介紹一款基于英飛凌XDP?數(shù)字電源XDPS2201混合反激控制器的170W AC - DC參考設(shè)計，為工程師們在相關(guān)設(shè)計中提供有價值的參考。

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二、設(shè)計概述

2.1 整體架構(gòu)

該參考設(shè)計由主板和CoolSET?子板組成。主板包含混合反激（HFB）級，采用英飛凌的XDP?數(shù)字電源XDPS2201混合反激控制器，以及輸出調(diào)節(jié)電路（具有CC控制和CV控制功能）。HFB級可通過禁用按鈕禁用，還設(shè)有編程接口，用于對XDPS2201進(jìn)行參數(shù)配置和故障模式報告。CoolSET?子板則包含一個準(zhǔn)諧振（QR）反激級，采用英飛凌的ICE5AR4770AG反激控制器，為次級側(cè)提供獨立的5V輔助電源。

2.2 關(guān)鍵特性

• 超高效率：該轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)95%的峰值效率，平均效率也相當(dāng)可觀，在不同輸入電壓和負(fù)載條件下都能保持良好的性能。
• 小尺寸變壓器：混合反激拓?fù)涫沟米儔浩鞒叽绶浅Ｐ?，與諧振半橋相當(dāng)，且遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)反激變壓器。同時，變壓器的構(gòu)造與標(biāo)準(zhǔn)反激一樣簡單，無需刻意最小化漏感，從而降低了系統(tǒng)成本。
• 恒流恒壓控制：具備兩個控制輸入，可定義恒流（CC）和恒壓（CV）調(diào)節(jié)回路的設(shè)定點，適用于電池充電應(yīng)用，也可用于標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)應(yīng)用。

三、測試設(shè)置與安全說明

3.1 測試設(shè)置

• CC測試設(shè)置：通過外部直流源控制(CC{set})值來設(shè)置所需的充電電流，默認(rèn)采用恒定輸出電壓（(CV{set}=3.0V)，(V_{CV}=42VDC)），使用CV模式的電子負(fù)載模擬充電電池。
• CV測試設(shè)置：通過外部直流源控制(CV{set})值來設(shè)置所需的恒定輸出電壓，同時通過另一個外部直流源將充電電流設(shè)置為高（(CC{set}=3.0V)），使用CC模式的電子負(fù)載模擬充電電池。

3.2 安全注意事項

此參考設(shè)計存在致命電壓，非受過高壓電路操作培訓(xùn)的人員不得操作該電路板，且在電路板通電時不得無人看管。此外，為保證安全運行，在連接電池時必須外接電池安全開關(guān)。

四、主板規(guī)格

4.1 輸入輸出規(guī)格

4.2 關(guān)鍵組件與尺寸

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

五、性能數(shù)據(jù)

5.1 效率

在不同輸入電壓下測量效率，通過CV模式的電子負(fù)載模擬電池負(fù)載，電路板置于實驗室桌面，采用自由空氣對流散熱。從測量數(shù)據(jù)來看，在不同輸入電壓和負(fù)載條件下，效率表現(xiàn)良好，平均效率可達(dá)94.7%左右。

5.2 充電行為

采用CC - CV充電方法，在不同電池電壓下實現(xiàn)不同的充電電流。例如，在電池電壓18V - 27V時，預(yù)充電電流為0.5A；在電池電壓達(dá)到42V時，CV控制接管并相應(yīng)限制電池電壓。充電精度取決于電壓感測電阻網(wǎng)絡(luò)的公差和參考電壓的精度。

5.3 待機功率

在無輸出負(fù)載時，HFB工作在CV模式，XDP數(shù)字電源XDPS2201控制器由CoolSET?子板供電。測量結(jié)果顯示了無負(fù)載條件下的輸入功率消耗情況。

5.4 熱測量

在標(biāo)稱輸出負(fù)載下運行一小時后，使用紅外熱成像相機進(jìn)行開架熱測量。測量結(jié)果顯示了PCB頂面和底面各關(guān)鍵組件的溫度，如SR MOSFET OptiMOS?、變壓器、半橋CoolMOS?等組件的溫度情況。

5.5 傳導(dǎo)發(fā)射

根據(jù)EN 55014標(biāo)準(zhǔn)對電池充電器進(jìn)行滿輸出功率下的傳導(dǎo)發(fā)射測試。測量在相和中性配置下進(jìn)行，額定電壓為230V AC/50Hz，除個別點外，測量結(jié)果與限制值有6dB的裕量。

六、開關(guān)波形

6.1 啟動

在滿載條件下，HFB以連續(xù)諧振模式（CRM）啟動；在無負(fù)載條件下，HFB保持在突發(fā)模式（BM）。

6.2 運行模式

HFB具有多種運行模式，以在不同的線路、負(fù)載電流和輸出電壓范圍內(nèi)優(yōu)化效率。滿載時為CRM模式，中等負(fù)載時為零電壓諧振谷開關(guān)（ZV - RVS）模式，輕載和無負(fù)載時為BM模式。

6.3 保護(hù)功能

XDP?數(shù)字電源XDPS2201具有多種保護(hù)功能，包括過流保護(hù)（OCP）、輸入過壓保護(hù)（(Vin{OVP})）和輸出欠壓保護(hù)（(Vin{UVP})）。一旦觸發(fā)保護(hù)，相應(yīng)的錯誤代碼將從MFIO引腳發(fā)出。

七、物料清單與規(guī)格

7.1 主板物料清單

主板包含各種電容、二極管、電阻、MOSFET、變壓器、控制器IC等組件，詳細(xì)列出了每個組件的規(guī)格、制造商和零件編號。

7.2 CoolSET?子板物料清單

CoolSET?子板同樣包含多種電容、二極管、電阻、電感、控制器IC等組件，也給出了相應(yīng)的規(guī)格和零件信息。

7.3 變壓器規(guī)格

詳細(xì)說明了變壓器的機械尺寸、電氣規(guī)格，如匝數(shù)比、電感值、直流電阻、耐壓等參數(shù)。

八、總結(jié)

這款基于XDP?數(shù)字電源XDPS2201混合反激控制器的170W AC - DC參考設(shè)計，在效率、尺寸、功能等方面都表現(xiàn)出色。其超高的效率和多種保護(hù)功能使其非常適合電動自行車充電器等需要恒流恒壓模式的應(yīng)用。工程師們在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計時，可以參考該設(shè)計的架構(gòu)、組件選擇和性能數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計。大家在實際應(yīng)用中，是否也遇到過類似設(shè)計的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。