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探討高壓輸入開關電源的設計技巧

2022-09-15
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使用三相交流電進行工作的工業設備常常需要一個可以為模擬和數字電路提供穩定低壓直流電的輔助電源級。此類應用的范例包括工業傳動器、UPS系統和能量計。

  此類電源的規格比現成的標準開關所需的規格要嚴格得多。不僅這些應用中的輸入電壓更高,而且為工業環境中的三相應用所設計的設備還必須容許非常寬的波動—包括跌落時間延長、電涌以及一個或多個相的偶然丟失。而且,此類輔助電源的指定輸入電壓范圍可以達到57 VAC至580 VAC之寬。

  設計如此寬范圍的開關電源可以說是一大挑戰,主要在于高壓MOSFET的成本較高以及傳統的PWM控制環路的動態范圍的限制。StackFET技術允許組合使用不太昂貴的、額定電壓為600V的低壓MOSFET和Power Integrations提供的集成電源控制器,這樣便可設計出簡單便宜并能夠在寬輸入電壓范圍內工作的開關電源。

  探討高壓輸入開關電源的設計技巧

  圖1:采用StackFET技術的三相輸入3W開關電源

  該電路的工作方式如下:電路的輸入端電流可以來自三相三線或四線系統,甚至來自單相系統。三相整流器由二極管D1-D8構成。電阻R1-R4可以提供浪涌電流限制。如果使用可熔電阻,這些電阻便可在故障期間安全斷開,無需單獨配備保險絲。pi濾波器由C5、C6、C7、C8和L1構成,可以過濾整流直流電壓。

  電阻R13和R15用于平衡輸入濾波電容之間的電壓。

  當集成開關(U1)內的MOSFET導通時,Q1的源端將被拉低,R6、R7和R8將提供柵極電流,并且VR1到VR3的結電容將導通Q1。齊納二極管VR4用于限制施加給Q1的柵極源電壓。當U1內的MOSFET 關斷時,U1的最大化漏極電壓將被一個由VR1、VR2和VR3構成的450 V箝位網絡箝位。這會將U1的漏極電壓限制到接近450 V。

  與Q1相連的繞組結束時的任何額外電壓都會被施加給Q1。這種設計可以有效地分配Q1和U1之間的整流輸入直流電壓和反激式電壓總量。電阻R9用于限制開關切換期間的高頻振蕩,由于反激間隔期間存在漏感,箝位網絡VR5、D9和R10則用于限制初級上的峰值電壓。

  輸出整流由D1提供。C2為輸出濾波器。L2和C3構成次級濾波器,以減小輸出端的開關紋波。

  當輸出電壓超過光耦二極管和VR6的總壓降時,VR6將導通。輸出電壓的變化會導致流經U2內的光耦二極管的電流發生變化,進而改變流經U2B內的晶體管的電流。當此電流超出U1的FB引腳閾值電流時,將抑制下一個周期。輸出穩壓可以通過控制使能及抑制周期的數量來實現。一旦開關周期被開啟,該周期便會在電流上升到U1的內部電流限制時結束。R11用于限制瞬態負載時流經光耦器的電流,以及調整反饋環路的增益。電阻R12用于偏置齊納二極管VR6。

  IC U1 (LNK 304)具有內置功能,因此可根據反饋信號消失、輸出端短路以及過載對該電路提供保護。由于U1直接由其漏極引腳供電,因此不需要在變壓器上添加額外的偏置繞組。C4用于提供內部電源去耦。


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