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維安代理商|維安MOS管 ACDC在電動自行車新國標(biāo)電源方案設(shè)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(chǔ)上，安裝了電機、控制器、蓄電池、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換機械能，驅(qū)動電動車輪旋轉(zhuǎn)的部件。
引用中關(guān)村在線發(fā)布的《2017年中國電動自行車產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》的數(shù)據(jù)，2017年我國電動二輪自行車累計完成產(chǎn)量為3097.9萬輛，2022年這一數(shù)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(chǎn)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(biāo)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(biāo)充電器“強制性國家標(biāo)準”正式實施。
圖1：電動自行車新國標(biāo)充電器“強制性國家標(biāo)準”
新國標(biāo)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(shè)計難度，基于新國標(biāo)充電器相關(guān)標(biāo)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(shè)計，可滿足國內(nèi)一線車廠的充電器要求。
圖2：維安新國標(biāo)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(fēng)機的功耗)
該方案主控制器采用谷底開通技術(shù)，降低主開關(guān)損耗；次級則使用肖特基整流二極管和PMOS負載開關(guān)實現(xiàn)無風(fēng)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(dǎo)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(shù)PF：0.75
設(shè)計要點
1、初級方案設(shè)計
新國標(biāo)充電器方案的初級部分采用WD1082G，內(nèi)部集成PWM控制器和700V/0.9Ω 高功率MOSFET，它具備谷底導(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(shè)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(shù)。同時巧妙使用一級半和合封功率MOSFET技術(shù)，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(shù)為0.75，諧波均滿足新國標(biāo)要求。
圖3：維安新國標(biāo)充電器功率級簡化電路
2、次級方案設(shè)計
為滿足新國標(biāo)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(shù)模混合智能充電管理芯片，其內(nèi)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(jīng)由輸出端分壓網(wǎng)絡(luò)得到的電壓與內(nèi)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(jīng)由采樣電阻取得的電壓與控制器內(nèi)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(jié)果
關(guān)鍵波形
如圖4-6所示為本方案設(shè)計樣機初次級以及LN線關(guān)鍵波形結(jié)果。
圖4：初級主開關(guān)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(yīng)力裕量較大；輸入電感電流波形包絡(luò)接近正弦波。
EMI測試
新國標(biāo)電動車充電器需滿足GB 42296-2022 EMC（電磁兼容）標(biāo)準。新國標(biāo)充電器需要通過EMI測試（包括傳導(dǎo)干擾、輻射干擾以及諧波），如圖7-9所示為本方案新國標(biāo)充電器樣機的EMI測試結(jié)果，其中傳導(dǎo)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(biāo)充電器EMI傳導(dǎo)測試結(jié)果
圖8：維安新國標(biāo)充電器EMI騷擾功率測試結(jié)果
圖9：維安新國標(biāo)充電器EMI諧波結(jié)果
總結(jié)
本方案設(shè)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(guān)鍵器件均為維安自主開發(fā)量產(chǎn)型號，并通過實際測試論證了該方案設(shè)計的成功性，可實現(xiàn)完全符合”新國標(biāo)“規(guī)范的電源設(shè)計。
