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維安代理商|維安MOS管 ACDC在電動自行車新國標電源方案設計
什么是電動自行車?
電動自行車是指以蓄電池作為輔助能源在普通自行車的基礎上,安裝了電機、控制器、蓄電池、轉把閘把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機電一體化的個人交通工具。電動自行車最重要的配件是電機,一輛電動自行車的電機基本決定了這輛車的性能和檔次,電機是將電池電能轉換機械能,驅動電動車輪旋轉的部件。
引用中關村在線發(fā)布的《2017年中國電動自行車產業(yè)發(fā)展白皮書》的數據,2017年我國電動二輪自行車累計完成產量為3097.9萬輛,2022年這一數字增長至5226.23萬輛,中國已然成為全球最大的電動自行車生產國和消費國。
電動自行車的普及,是民眾的自然選擇。然而,電動自行車充電器標準的不統(tǒng)一使得不同品牌和型號之間的充電器并不兼容,為創(chuàng)建更加安全的充電環(huán)境,2023年7月1日起,電動自行車新國標充電器“強制性國家標準”正式實施。
圖1:電動自行車新國標充電器“強制性國家標準”
新國標充電器統(tǒng)一了充電接口和增加了EMI部分要求,相對傳統(tǒng)的充電器增加了設計難度,基于新國標充電器相關標準,本文將介紹一款基于一級半PFC反激AC-DC拓撲的電動車充電器方案,由維安自主設計,可滿足國內一線車廠的充電器要求。圖2:維安新國標充電器樣機(4820)
方案特性及優(yōu)勢
● 整機效率:≥89.0 %
(包括可控硅和風機的功耗)
該方案主控制器采用谷底開通技術,降低主開關損耗;次級則使用肖特基整流二極管和PMOS負載開關實現(xiàn)無風機被動散熱方案,相比傳統(tǒng)填谷電路,效率提高4~5%。
● 高EMI裕量
(傳導和輻射騷擾 裕量≥6 dB)(
初級采用一級半和谷底開通準諧振拓撲,大大提高了諧波和EMI裕量。
● 寬輸入電壓范圍 :180-240Vac
(輸入最低電壓165V/AC,輸入最高電壓264V/AC)
次級采用一級半和谷底開通準諧振拓撲和高功率700V MOSFET,輸入電壓支持到165-264VAC ,相比傳統(tǒng)填谷電路輸入電壓范圍更寬。
● 輸出規(guī)格:60V/3A
(輸出最低30V/3A,輸出最高60V/3A)
功率因數PF:0.75
設計要點
1、初級方案設計
新國標充電器方案的初級部分采用WD1082G,內部集成PWM控制器和700V/0.9Ω 高功率MOSFET,它具備谷底導通、低功耗、高效率等特性;充電器輕載或空載工作時,WD1082G處于Burst打嗝模式以減小開關損耗,從而降低了待機功耗,提高了輕載效率;工作于正常負載模式時,WD1082G處于QR谷底導通模式,提高了整機效率和降低EMI噪聲源頭。
WD1082G同時具備過流保護(OCP)、過載保護(OLP)、過溫保護(OTP)、輸出過壓保護(OVP)等功能。
初級針對于PFC的設計采用了如圖3所示的方案,LB、DBYP、DB作為PFC部分的元件,使得輸入電流跟隨輸入電壓的正弦波變化而變化,提高了整機的功率因數。同時巧妙使用一級半和合封功率MOSFET技術,相比主動APFC電路,節(jié)省一顆功率MOSFET和PFC電路控制,具有線路簡單、成本低的優(yōu)點。本方案中,平均功率因數為0.75,諧波均滿足新國標要求。
圖3:維安新國標充電器功率級簡化電路
2、次級方案設計
為滿足新國標充電器強制性 “通訊協(xié)議”充電這一要求,本方案的次級控制器采用了一款高度可編程數?;旌现悄艹潆姽芾硇酒?/span>,其內置的恒壓恒流控制模塊實現(xiàn)了對充電器對鉛酸電池三段式充電的精準控制,從而提高鉛酸電池的使用壽命,充電電壓經由輸出端分壓網絡得到的電壓與內置的2.5V電壓源相比較作為輸出電壓控制信號以及系統(tǒng)反饋信號,充電電流經由采樣電阻取得的電壓與控制器內置的50mV電壓源作為輸出電流控制信號以及系統(tǒng)反饋信號。
3、方案樣機測試結果
關鍵波形
如圖4-6所示為本方案設計樣機初次級以及LN線關鍵波形結果。
圖4:初級主開關VDS波形
(Vin: 230 VAC; Vout: 60V/3A)
圖5:次級肖特基波形以及PFC電感電流波形
(Vin: 230 VAC; Vout: 60V/3A)
圖6 :LN線波形VBUS、LN、IL-PFC
(Vin: 230 VAC; Vout: 60V/3A)
圖4-6 可以看出初級功率MOSFET, 次級整流二極管應力裕量較大;輸入電感電流波形包絡接近正弦波。
EMI測試
新國標電動車充電器需滿足GB 42296-2022 EMC(電磁兼容)標準。新國標充電器需要通過EMI測試(包括傳導干擾、輻射干擾以及諧波),如圖7-9所示為本方案新國標充電器樣機的EMI測試結果,其中傳導裕量高達19dB(QP),騷擾裕量大于10dB,同時諧波也具有較大的裕量空間。
圖7:維安新國標充電器EMI傳導測試結果
圖8:維安新國標充電器EMI騷擾功率測試結果
圖9:維安新國標充電器EMI諧波結果
總結
本方案設計的電動車充電器支持最大功率180W充電,具有整機效率高,輸入電壓范圍寬,EMI裕量高、成本低等優(yōu)點。使用的WD1082G(AC-DC)、MOSFET等核心關鍵器件均為維安自主開發(fā)量產型號,并通過實際測試論證了該方案設計的成功性,可實現(xiàn)完全符合”新國標“規(guī)范的電源設計。