一種用于智能電器的低成本小功率開(kāi)關(guān)電源的研制

余 飛

（中國(guó)郵政集團(tuán)公司上海研究院，上海 200062）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，電力供應(yīng)的環(huán)保、高效、安全和可靠越來(lái)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(shì)。智能電器是智能電網(wǎng)非常重要的組成部分，對(duì)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(lái)，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(gè)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(chǎng)合等特點(diǎn)，這樣就對(duì)開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性、成本、可靠性等提出了更高的要求[2]。

1 電源整體方案及工作原理

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(jì)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(jiàn)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(lái)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(guò)線性降壓的方式獲得5V一路輸出，將會(huì)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(jiàn)的結(jié)構(gòu)是基于 Flayback結(jié)構(gòu)的反激式開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)該開(kāi)關(guān)電源是一種比較可行的方式。BUCK型開(kāi)關(guān)電源是一種經(jīng)典的開(kāi)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(jiàn)，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(gè)變種，其原理如圖1所示。當(dāng)MOS開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，Vin給電感L、電容C1充電；當(dāng)S閉合時(shí)，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(wèn)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(shí)盡可能的減小電源體積，降低成本。在這一要求下，設(shè)計(jì)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(zhuān)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(kāi)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(dòng)突發(fā)模式（automatic burst mode）。此時(shí)，MOS管開(kāi)通時(shí)間會(huì)變得很短，以致要丟失幾個(gè)開(kāi)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(guò)溫、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，并能自動(dòng)再啟動(dòng)；而在過(guò)壓時(shí)，則工作在打嗝模式（hiccup mode）。

3 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

2 電源芯片的選擇

前文所述，電源要求電壓范圍較寬，待機(jī)功耗較

開(kāi)關(guān)電源電路原理圖如圖3所示。電源電壓通過(guò)C1整流后，流經(jīng)VIPer12A的源級(jí)（D）、漏極（S）。芯片通過(guò)對(duì)內(nèi)置MOSFET的開(kāi)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(guò)原邊輸出，5V由副邊輸出。電路通過(guò)D3、D4、C3組成的回路來(lái)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(kāi)路時(shí)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

3.1 工作模式的選擇

在小功率情況下，一般希望開(kāi)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(huì)更好，電感量也較小，從而減小了變壓器的體積[6]。

3.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

高頻變壓器的設(shè)計(jì)是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)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(jì)算在該模式低壓滿載情況下的電感量。

經(jīng)實(shí)際測(cè)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(dòng)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(jì)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(jiǎn)化計(jì)算將5V一路功率折算到原邊，并估計(jì)電路在MOS開(kāi)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(jì)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(kāi)關(guān)周期時(shí)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(jì)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(jì)算取原邊匝數(shù)Np=80。

確定了原邊匝數(shù)后，可以計(jì)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(cè)試實(shí)取Ns=20。

圖4是在220VAC輸入時(shí)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(huì)進(jìn)入自動(dòng)突發(fā)模式[7]。

3.3 測(cè)試結(jié)果

表1為在額定負(fù)載下輸入電壓在85～265V AC變化時(shí)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(shí)輸出電壓

表2 輸出負(fù)載變化時(shí)5V電壓輸出

4 PCB和EMC設(shè)計(jì)

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(duì)與相同功率輸出的FlyBack結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電源，該電源EMC電路簡(jiǎn)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(guò)減少電源電路的高頻交流回路和輸出回路的的面積來(lái)減少電磁干擾。功率部分與控制信號(hào)部分要用不同的接地層，并通過(guò)單點(diǎn)連接，以最大程度的減少功率回路對(duì)信號(hào)控制部分的干擾。同時(shí)，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(kāi)關(guān)電源順利通過(guò)了雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)，通過(guò)了射頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)且相對(duì)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(guò)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

5 結(jié)論

經(jīng)測(cè)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(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的老化試驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)要求。該電源元件數(shù)量少且無(wú)特殊元器件，物料成本僅為10元左右，適合對(duì)體積有較高要求的緊湊型控制器，性?xún)r(jià)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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