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(多图) 高电压小功率开关电源满足工业应用需求

F.Di Franco和F.Gennaro?? 意法半导体公司?? 2006年05月09日 ?? 收藏0

  引言

  某些工业应用需要所谓的“超宽”输入电压范围:90Vac ~ 450Vac的输入电压。由于交流电源的变化,高达450Vac的输入电压通常用于三相应用。最高输入电压450Vac的应用需要电压极高的组件,这种要求就提高了产品的成本、尺寸、重量和电源的整体复杂性。因此,市场正在四处寻找成本低廉而性能优异的解决方案。

  ST的解决方案是一个离线开关电源和一个成本低廉的前端限压调整电路。这种电路允许功率转换器正常工作,同时还避免了使用超过额定电压的有源器件和无源器件。因为在输入整流器和DC电容之间连接一个开关晶体管,这个电路适合任何拓扑的离线开关电源。串联开关通过一个适合的驱动电路来限制功率转换器的直流输入电压,因此,开关电源一次侧的晶体管可以被指定使用一个标准组件。

工作条件


  如果一个智能功率IC是首选的功率处理方法,而且集成的功率晶体管须具有限压功能,那么选用该解决方案将是一个比较不错的选择。

  在工业市场上我们可以见到这个解决方案的典型最终应用,例如:三相和单相电能表、工业偏压电源、高压路灯的辅助电源,在这些应用中,输入电压范围在90Vac ~ 450V

ac之间,目前使用一个1000V 的功率 MOSFET。

  电路结构的选择

  图1所示是我们讨论的应用的结构框图,这个开关电源是根据表1中的参数设计的。

应用的结构框图


  除前面的规格后,电源还必须符合电能表的标准,例如: IEC 62052-11 和 IEC 62053-21。

  图2所示是一个电路板的示意图,因为在中性线断开或误接时,为确保操作正确需要中性线整流,所以使用一个三相4线电桥充当交流电源整流功能。为确保脉冲电压符合EN62052-11标准,需在每条线路与中性线之间连接一个变阻器。输入EMI滤波器是一个简单的无阻尼LC滤波器,具有差模和共模抑制功能。

电路板的示意图

点击看原图


  输入限压电路连接在输入EMI滤波器与电容C4之间。限压电路包括一个功率场效应MOS晶体管和一个自激式控制电路。Q1是一个标准的N沟道 500V 3.3Ω D-PAK封装的场效应MOS晶体管, 为提高热性能,这支晶体管安装在一个很小的铜箔区。自激式控制电路包括一个分压器和几支齐纳二极管。电阻R1、R2和R3确保开关的栅源充电,同时齐纳二极管D3和D4设置电容上的最高电压(360V)。 一个负温度系数电阻限制涌流,确保Q1在其安全运行区内。

  逆向转换器采用VIPerX2A 系列中的VIPer12AS,这个产品在同一个芯片上整合了一个专用的电流式离线PWM控制器和一个高压功率场效应MOS晶体管。IC内部振荡器将开关频率固定在 60kHz,从而节省了变压器的尺寸和成本。变压器反射电压设定在60V,为峰值漏电压提供了足够的允许极限,而且无需缓冲电路,从而节省了成本。

  一旦给转换器的输入端加电压,连接漏极引脚的高压启动电流源被立即激活,同时一个1mA的恒流开始给Vdd电容C8充电。当这个电容上的电压达到Vddon的阈压(大约14V)时,VIPer12AS开始开关操作。在正常工作模式下,变压器辅助绕组通过二极管D7供给智能功率IC。由于 Vdd引脚的电压范围很宽(9V~38V),所以辅助电压波动时无需脉冲电压抑制电路。电流模式操作利用集成的电流敏感电阻来测量一次侧电流。

  输出整流器D6是根据最大反向电压和功耗选择的,我们特别选择了一个0.5A-80V的肖特基二极管TMBAT49。

  二次侧反馈在显示器专用5V输出上进行输出电压调整,逻辑电路和微控制器专用的3.3V输出电压是5V输出电压的后调整电压,这个电压调整操作是由一个压降极低的SO-8封装的稳压器L4931ABD33完成的,稳压器输出高达100mA的电流,即使没有散热器,也能保证优异的可靠性。反馈网络包括一个可编程的参考电压管TS2431,它被用于驱动一个光耦合器,以确保一次侧和二次侧电路之间所需的绝缘性能,这个光晶体管直接驱动用于控制IC工作的VIPer12AS反馈引脚。

  为了能够以合理的输出电容值降低高频纹波电流,我们在5V输出上增加一个小LC滤波器。

  回扫变压器是Pulse Eldor公司的基于E13铁芯和N27铁氧体的层式绕组变压器,该产品的绝缘性能达到了EN60950标准的规定。

  电路板原型和测试结果

  我们根据前面提到的参数规格开发出一个电路原型。整个电源安装在一个35mm双面FR-4印刷电路板上,电路板尺寸为78mm×38mm,如图3所示。

电路原型


  图4所示是输入限压电路的主要波形,特别是在450Vac和条件最恶劣的全负载下电源启动和稳态操作时产生的波形。该解决方案的优势显而易见:将直流电压限定在给定的参考电压值,在本案中参考电压值是360V;与标准的离线电源相比,无需使用超过额定电压的

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开关电源? 高电压? 小功率?

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