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探讨高压输入开关电源的设计技巧

2022-09-15
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使用三相交流电进行工作的工业设备常常需要一个可以为模拟和数字电路提供稳定低压直流电的辅助电源级。此类应用的范例包括工业传动器、UPS系统和能量计。

  此类电源的规格比现成的标准开关所需的规格要严格得多。不仅这些应用中的输入电压更高,而且为工业环境中的三相应用所设计的设备还必须容许非常宽的波动—包括跌落时间延长、电涌以及一个或多个相的偶然丢失。而且,此类辅助电源的指定输入电压范围可以达到57 VAC至580 VAC之宽。

  设计如此宽范围的开关电源可以说是一大挑战,主要在于高压MOSFET的成本较高以及传统的PWM控制环路的动态范围的限制。StackFET技术允许组合使用不太昂贵的、额定电压为600V的低压MOSFET和Power Integrations提供的集成电源控制器,这样便可设计出简单便宜并能够在宽输入电压范围内工作的开关电源。

  探讨高压输入开关电源的设计技巧

  图1:采用StackFET技术的三相输入3W开关电源

  该电路的工作方式如下:电路的输入端电流可以来自三相三线或四线系统,甚至来自单相系统。三相整流器由二极管D1-D8构成。电阻R1-R4可以提供浪涌电流限制。如果使用可熔电阻,这些电阻便可在故障期间安全断开,无需单独配备保险丝。pi滤波器由C5、C6、C7、C8和L1构成,可以过滤整流直流电压。

  电阻R13和R15用于平衡输入滤波电容之间的电压。

  当集成开关(U1)内的MOSFET导通时,Q1的源端将被拉低,R6、R7和R8将提供栅极电流,并且VR1到VR3的结电容将导通Q1。齐纳二极管VR4用于限制施加给Q1的栅极源电压。当U1内的MOSFET 关断时,U1的最大化漏极电压将被一个由VR1、VR2和VR3构成的450 V箝位网络箝位。这会将U1的漏极电压限制到接近450 V。

  与Q1相连的绕组结束时的任何额外电压都会被施加给Q1。这种设计可以有效地分配Q1和U1之间的整流输入直流电压和反激式电压总量。电阻R9用于限制开关切换期间的高频振荡,由于反激间隔期间存在漏感,箝位网络VR5、D9和R10则用于限制初级上的峰值电压。

  输出整流由D1提供。C2为输出滤波器。L2和C3构成次级滤波器,以减小输出端的开关纹波。

  当输出电压超过光耦二极管和VR6的总压降时,VR6将导通。输出电压的变化会导致流经U2内的光耦二极管的电流发生变化,进而改变流经U2B内的晶体管的电流。当此电流超出U1的FB引脚阈值电流时,将抑制下一个周期。输出稳压可以通过控制使能及抑制周期的数量来实现。一旦开关周期被开启,该周期便会在电流上升到U1的内部电流限制时结束。R11用于限制瞬态负载时流经光耦器的电流,以及调整反馈环路的增益。电阻R12用于偏置齐纳二极管VR6。

  IC U1 (LNK 304)具有内置功能,因此可根据反馈信号消失、输出端短路以及过载对该电路提供保护。由于U1直接由其漏极引脚供电,因此不需要在变压器上添加额外的偏置绕组。C4用于提供内部电源去耦。


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