余 飛
(中國郵政集團(tuán)公司上海研究院,上海 200062)
隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,電力供應(yīng)的環(huán)保、高效、安全和可靠越來越成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn),智能電網(wǎng)成為能源工業(yè)發(fā)展的新趨勢。智能電器是智能電網(wǎng)非常重要的組成部分,對支撐智能電網(wǎng)的發(fā)展需要,提高電力設(shè)備自身的性能起到了重要的作用。近年來,各種智能電器層出不窮,而作為智能電器的核心部件,智能控制器的功能也在不斷增強(qiáng)[1]。
在智能電器控制器的研制中,電源是其中的重要組成部分,其性能的好壞直接關(guān)系到整個控制器工作的穩(wěn)定性。而智能電器又具有量大面廣、功能多、產(chǎn)品體積小、一般應(yīng)用在電氣環(huán)境較為惡劣的場合等特點(diǎn),這樣就對開關(guān)電源穩(wěn)定性、成本、可靠性等提出了更高的要求[2]。
智能控制器電源一般取至主回路或外部控制電源。本文所需電源主要設(shè)計要求為85~265V AC/DC寬電壓輸入,一路5V/100mA輸出供維持控制器的正常工作,一路24V/50mA供外部IO模塊或通信電路使用??傮w輸出功率約為1.7W。
在低成本AC/DC多路輸出結(jié)構(gòu)中,一種較常見的結(jié)構(gòu)是在高電壓輸出端采用低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator, LDO)來獲到低電壓。但是在本方案中,由于24V和5V之間壓差較大,若采取從24V一路通過線性降壓的方式獲得5V一路輸出,將會使得電源整體效率較低,LDO器件發(fā)熱量較大,影響控制器整體工作的穩(wěn)定性。另一種比較常見的結(jié)構(gòu)是基于 Flayback結(jié)構(gòu)的反激式開關(guān)電源,該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率高,能實(shí)現(xiàn)多路輸出,但缺點(diǎn)是電磁兼容性較差、元件較多,成本也比較高,并不適合結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用環(huán)境惡劣的智能電器控制器,也不利于降低成本[3-4]。
考慮到控制器的體積和成本,選用非隔離降壓型(BUCK)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)該開關(guān)電源是一種比較可行的方式。BUCK型開關(guān)電源是一種經(jīng)典的開關(guān)電源結(jié)構(gòu),尤其在 DC/DC電路中應(yīng)用廣泛,在AC/DC中也比較常見,但在多路輸出AC/DC中應(yīng)用不多。
本文采用的多路輸出的BUCK結(jié)構(gòu)就是采用耦合電感(coupling inductance)的方式獲得雙路輸出,作為BUCK結(jié)構(gòu)的一個變種,其原理如圖1所示。當(dāng)MOS開關(guān)S閉合時,Vin給電感L、電容C1充電;當(dāng)S閉合時,電感L放電,向C2充電,為副邊提供能量。這樣就較好的解決了BUCK結(jié)構(gòu)多路輸出的問題。此外,Vout2和Vout1及市電隔離,有利于提高Vout2回路的抗干擾能力[5]。小,以節(jié)約電能,同時盡可能的減小電源體積,降低成本。在這一要求下,設(shè)計方案采用意法半導(dǎo)體(ST semiconductor)公司的 VIPer12A。芯片原理框圖如圖2所示。
圖1 雙輸出BUCK降壓拓?fù)?/p>
VIPer12A是一種專用的電流模式 PWM 控制器,芯片具有以下特點(diǎn):
1)采用電流模式(Current-Mode)控制脈寬調(diào)制,開關(guān)頻率是固定的,為60kHz。
2)內(nèi)置高壓功率MOS管,同控制器集成在同一塊硅片上,可以不用外接MOS管。
3)在輕負(fù)載下電路進(jìn)入自動突發(fā)模式(automatic burst mode)。此時,MOS管開通時間會變得很短,以致要丟失幾個開關(guān)周期才出現(xiàn)脈沖。
4)VDD腳電壓范圍很寬,為 9~38V。芯片有過溫、過流、過壓保護(hù)功能,并能自動再啟動;而在過壓時,則工作在打嗝模式(hiccup mode)。
前文所述,電源要求電壓范圍較寬,待機(jī)功耗較
開關(guān)電源電路原理圖如圖3所示。電源電壓通過C1整流后,流經(jīng)VIPer12A的源級(D)、漏極(S)。芯片通過對內(nèi)置MOSFET的開關(guān)操作,使得高頻變壓器T1原邊和副邊持續(xù)不斷進(jìn)行充放電操作。24V通過原邊輸出,5V由副邊輸出。電路通過D3、D4、C3組成的回路來為芯片提供反饋,從而保持輸出電流、電壓的穩(wěn)定性。R1為24V端的負(fù)載電阻,可以在 24V輸出端開路時提供穩(wěn)定的環(huán)路,有利于 5V的穩(wěn)定輸出。
圖2 芯片結(jié)構(gòu)框圖
圖3 電源電路圖
在小功率情況下,一般希望開關(guān)電源工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode,DCM)模式,相比連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous conduction mode, CCM)模式,DCM模式工作更穩(wěn)定,閉環(huán)響應(yīng)會更好,電感量也較小,從而減小了變壓器的體積[6]。
高頻變壓器的設(shè)計是整個開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵。先假設(shè)電路工作在臨界導(dǎo)通模式(boundry conduction mode, BCM)模式,計算在該模式低壓滿載情況下的電感量。
經(jīng)實(shí)際測量,如圖3所示,在C1取4.7μF,輸入交流電壓不變的情況下,C1上的脈動直流電壓的變化為20~30V,且隨著輸入的交流電壓值的升高,變化范圍越小。根據(jù)式(1)計算最大占空比,即
式中,Vout為原邊輸出電壓;VDC(min)為最小直流母線電壓。得到最大占空比為0.27。為了簡化計算將5V一路功率折算到原邊,并估計電路在MOS開關(guān)之后的效率為80%,可得負(fù)載電阻為354Ω。根據(jù)電感量計算式(2)求得高頻變壓器電感量L為2.16mH,即
式中,Rout為負(fù)載電阻;T為開關(guān)周期時間。為了使電路工作在DCM模式下,設(shè)定電感量為2mH。
變壓器選定PC40作為磁心材料,根據(jù)式(3)計算匝數(shù)比,即式中,N為變壓器原邊匝數(shù);ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化,一般取0.2~0.3T;Ae為磁心面積。經(jīng)計算取原邊匝數(shù)Np=80。
確定了原邊匝數(shù)后,可以計算變壓器的副邊匝數(shù)NS。已知RS1M的正向電壓為0.7V,IN4148的正向電壓為1V,有Np/Ns=(24+0.7)/(5+1),Ns=19.1,經(jīng)測試實(shí)取Ns=20。
圖4是在220VAC輸入時D、S引腳上的波形,圖4(a)是滿載情況下的波形,圖4(b)是在50%負(fù)載情況下的波形??梢钥吹?,電源在這兩種負(fù)載情況下均工作在 DCM 模式,在輕負(fù)載下會進(jìn)入自動突發(fā)模式[7]。
表1為在額定負(fù)載下輸入電壓在85~265V AC變化時輸出電壓的變化情況,24V輸出的線性調(diào)整率為0.71%,5V輸出的線性調(diào)整率為1.2%。
表2為在輸出負(fù)載變化情況下的5V電壓的輸出情況,其中24V側(cè)為4.7kΩ負(fù)載??梢钥吹诫妷菏冀K保持在穩(wěn)定狀態(tài),在15%~100%輸出電流下5V輸出的負(fù)載調(diào)整率為3.2%[8]。
圖4 芯片D、S引腳上的電壓波形
表1 額定負(fù)載下輸入電壓變化時輸出電壓
表2 輸出負(fù)載變化時5V電壓輸出
考慮到電路輸出功率較小,采用安規(guī)電容 X2和差模電感組成的一階 EMI濾波電路。L、N進(jìn)線端加壓敏電阻以防止雷擊浪涌。相對與相同功率輸出的FlyBack結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源,該電源EMC電路簡單,器件的數(shù)量較少,取值也較小[9]。
在PCB布局上,如圖5所示,通過減少電源電路的高頻交流回路和輸出回路的的面積來減少電磁干擾。功率部分與控制信號部分要用不同的接地層,并通過單點(diǎn)連接,以最大程度的減少功率回路對信號控制部分的干擾。同時,在芯片的漏極鋪銅,以降低芯片的工作溫度[10]。
圖5 電源PCB布局
開關(guān)電源順利通過了雷擊浪涌實(shí)驗(yàn),通過了射頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)且相對標(biāo)準(zhǔn)值有較大裕量,如圖 6所示。此外,還結(jié)合控制器通過了靜電放電、電快速瞬變脈沖群和輻射發(fā)射等試驗(yàn),符合GB 14048.1—2012標(biāo)準(zhǔn),證明該電源有較好的電磁兼容性。
圖6 射頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)測試,5V、24V兩路輸出電壓在85~265VAC的輸入電壓范圍內(nèi)均能穩(wěn)定正常輸出,誤差在±5%之內(nèi),通過了長時間的老化試驗(yàn),符合設(shè)計要求。該電源元件數(shù)量少且無特殊元器件,物料成本僅為10元左右,適合對體積有較高要求的緊湊型控制器,性價比較高。該電源不僅適用于智能電器,也適用于其他有相同需求的控制器產(chǎn)品。
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