寬電壓輸入的穩(wěn)壓輸出電路設(shè)計(jì)及浪涌抗擾度分析

梅珍妮

（廈門中翎易優(yōu)創(chuàng)科技有限公司，福建 廈門 361000）

現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)工頻交流電（AC）降壓一般采用開關(guān)電源電路、阻容降壓電路或者經(jīng)過變壓器降壓后通過整流濾波獲得需要的直流電壓。由于開關(guān)電源中的變壓器、阻容降壓中的降壓電容、以降壓變壓器等器件體積較大，常規(guī)電路均不能滿足產(chǎn)品的小型化要求。基于此，本文提出一種基于ⅠGBT的與開關(guān)電源芯片結(jié)合的降壓電路，并且電路具有寬電壓輸入的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，電路在抗電磁干擾方面也具有良好的性能。本文以抗浪涌試驗(yàn)為例進(jìn)行EMC特性分析。

1 寬電壓穩(wěn)壓輸出電路

1.1 ⅠGBT介紹

ⅠGBT（Ⅰnsulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET（金氧半場效晶體管）的高輸入阻抗和GTR（電力晶體管）的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。

STGD5NB120SZ具有低導(dǎo)通壓降（VCE（sat））、高電流能力、高壓鉗位的特點(diǎn)，該器件是采用先進(jìn)的Power－MESH技術(shù)開發(fā)的低功耗內(nèi)部箝位ⅠGBT。這一過程保證了開關(guān)性能和低導(dǎo)通狀態(tài)行為之間的良好權(quán)衡。主要應(yīng)用于低開關(guān)頻率領(lǐng)域。

圖1為STGD5NB120SZ示意圖，其中器件部分絕對(duì)最大額定值見表1，特性參數(shù)見表2。

表2 STGD5NB120SZ參數(shù)表

圖1 STGD5NB120SZ示意圖

表1 STGD5NB120SZ絕對(duì)最大額定值

1.2 LNK306芯片介紹

LNK306是POWER公司的一款非隔離的開關(guān)電源芯片，可以用于輸出電流小于360 mA的所有線性及電容式降壓電路，輸出電流見表3。內(nèi)部集成了700 V功率MOSFET、振蕩器、簡單的開/關(guān)控制方案、高壓開關(guān)電流源、頻率調(diào)制、逐周期電流限制電路及過溫保護(hù)電路。芯片在啟動(dòng)和工作時(shí)，電源直接來自漏極引腳上的電壓，無需在BUCK或反激變換器中使用偏置電源和相關(guān)電路。LNK306中集成自動(dòng)重啟電路，可在短路或開環(huán)等故障條件下安全限制輸出功率，從而減少外部元器件數(shù)量和外圍保護(hù)電路成本。如果需要，ⅠC提供的本地電源允許使用非安全級(jí)光耦作為電平移位器，以進(jìn)一步增強(qiáng)buck和buck-boost轉(zhuǎn)換器中的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)性能。

表3 輸出電流表 （mA）

1.3 寬電壓輸入的穩(wěn)壓電路分析

工頻交流電（AC），居民用電或工業(yè)用電，可分為工頻單相交流電和工頻三相交流電。對(duì)工頻電的使用，可以首先將其整流、濾波、降壓，得到一個(gè)一次直流電壓，如24 Vd.c.，之后再通過DC-DC芯片或LDO芯片等轉(zhuǎn)化為后端MCU或驅(qū)動(dòng)電路所用的直流電壓，如12 Vd.c.、3.3 Vd.c.等。

圖2為寬電壓輸入穩(wěn)壓電路，三相交流電PA、PB、PC、PN經(jīng)過限流電阻R1、R2、R3和保險(xiǎn)絲F1后，通過D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8八顆二極管的單向?qū)ㄗ饔?，全波整流、濾波，得到直流高壓電。通過ⅠGBT一次穩(wěn)壓作用，將電壓降低到一特定值，經(jīng)過π型濾波電路進(jìn)行濾波，得到一個(gè)較為平滑的直流電壓，作為輸入，供給開關(guān)電源芯片U1。經(jīng)過開關(guān)電源芯片U1及外圍電流配比，輸出得到+24 Vd.c.電壓。

1.3.1 整流濾波電路

目前，世界各國的電力系統(tǒng)中，電能的生產(chǎn)、傳輸和供電方式，絕大多數(shù)采用三相制。對(duì)稱三相電源由3個(gè)等幅值、同頻率、初相依次滯后120°的正弦電壓源連接成星型或三角形組成的電源。這3個(gè)電源依次稱為A相、B相和C相。

在圖2中，輸入PA、PB、PC、PN三相電源，分別外接電力系統(tǒng)A相、B相、C相及零線N。經(jīng)過限流電阻R1、R2、R3和保險(xiǎn)絲F1后，通過D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8八顆二極管的單向?qū)ㄗ饔?，?jīng)過全波整流、濾波，得到直流高壓電。

圖2 寬電壓輸入穩(wěn)壓電路

三相橋式整流后輸出電壓平均值為

三相橋式整流后輸出電壓最大值為

考慮市電不穩(wěn)定性，欠壓相電壓最低為50 V，過壓相電壓最高為275 V。

（1）根據(jù)公式計(jì)算，整流濾波后電壓平均值

（2）根據(jù)公式計(jì)算，整流濾波后電壓最大值

1.3.2 ⅠGBT穩(wěn)壓電路

當(dāng)輸入三相AC電壓的波動(dòng)在50～350 VAC范圍內(nèi)時(shí)，輸入到ⅠGBT的C極電壓范圍為117～819 V。

如圖3所示，根據(jù)負(fù)載電壓要求，選擇穩(wěn)壓管標(biāo)稱值。降壓電路輸出電壓UO，輸出電壓略小于穩(wěn)壓管上端電壓值UG。穩(wěn)壓管的選擇數(shù)量和穩(wěn)壓值根據(jù)實(shí)際電路確定。流經(jīng)穩(wěn)壓管的電流值由電阻R4、R5和整流后電壓UC確定。

圖3 電流走向示意圖

后端，LNK306要求UO輸出不大于400 VDC，以選擇2個(gè)160 V的穩(wěn)壓管為例進(jìn)行介紹。穩(wěn)壓管電壓值合計(jì)320 V。

從而確定電阻的耐壓、阻值、功率參數(shù)。

STGD5NB120SZ相關(guān)參數(shù)為

（1）當(dāng)VC≤320 V時(shí)，VG≈VC；（2）當(dāng)VC＞320 V時(shí)，VG=320 V。

設(shè)UO后端等效負(fù)載RD，則流經(jīng)負(fù)載RD電流為IC，

故：UO=RD×IC。

UO等于ⅠGBT后端輸出電壓UE。

故：UGR=UG-UE=UG-RD×IC。

此處，UG和RD對(duì)既定電路為已知量，UGE為IC的一次函數(shù)，與轉(zhuǎn)移特性曲線結(jié)合得出如圖4曲線。2條曲線的交點(diǎn)，即為電路工作的實(shí)際UGE電壓，略大于開啟電壓VGE(th)。

圖4 STGD5NB120SZ轉(zhuǎn)移特性曲線

穩(wěn)壓管Z3和Z4的選擇，作用為保護(hù)ⅠGBT的G腳和E腳在大電流沖擊情況下不被損壞。穩(wěn)壓值小于VGE（±20 V）。

1.3.3 LNK306降壓電路

不大于8.64 W通用輸入降壓電路如圖5所示，電路是一個(gè)24 V、360 mA非隔離電源的典型實(shí)現(xiàn)，用于磁保持繼電器的控制。

圖5 LNK306降壓電路

輸入級(jí)為π型濾波電路，作用就是去除不需要的諧波，在直流電源中時(shí)減小電流的脈動(dòng)，使電流更加平滑。

功率處理級(jí)由開關(guān)電源芯片U1（LNK306）、續(xù)流二極管D2、電感器L3和輸出電容C9組成。LNK306的選擇應(yīng)確保電源在連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）下工作。二極管D2是一種超快二極管，對(duì)于連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）設(shè)計(jì)，二極管的trr建議使用在35 ns內(nèi)。電感器L3是一種標(biāo)準(zhǔn)的電感器，具有適當(dāng)?shù)腞MS電流額定值（且可接受溫度上升）。電容器C9為輸出濾波電容，其主要功能是限制輸出電壓紋波。

開始工作，D2和D9的正向電壓降是相同的，因此，C8上跟隨輸出電壓。C8上產(chǎn)生的電壓通過連接到U1反饋引腳的電阻分壓器R7和R8進(jìn)行感應(yīng)和調(diào)節(jié)。R7和R8的值的選擇應(yīng)確保在所需輸出電壓下，反饋引腳處的電壓為1.65 V。

通過跳過切換周期來維持調(diào)節(jié)。隨著輸出電壓的升高，進(jìn)入反饋引腳的電流將升高。如果超過反饋電源ⅠFB，則將跳過后續(xù)循環(huán)，直到電流降至ⅠFB以下。因此，隨著輸出負(fù)載的減少，將跳過更多的周期，如果負(fù)載增加，將跳過更少的周期。為了在50 ms內(nèi)沒有跳過任何周期時(shí)提供過載保護(hù)，開關(guān)電源芯片LNK306將進(jìn)入自動(dòng)重啟，將平均輸出功率限制在最大過載功率的6%左右。

由于輕載或空載時(shí)輸出電壓和C8兩端電壓之間的跟蹤誤差，需要一個(gè)小的假負(fù)載R9。對(duì)于圖5中的設(shè)計(jì)，如果需要調(diào)節(jié)至零負(fù)載，則該值應(yīng)降低至2.4 kΩ。

2 電路抗擾浪涌能力分析

本電路抗浪涌主要依靠壓敏電阻，壓敏電阻的電氣參數(shù)使用數(shù)字電橋、晶體測(cè)試儀、高壓漏電流測(cè)試儀、絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試。

2.1 檢測(cè)過程注意事項(xiàng)和說明

（1）壓敏電壓（V）：指通過1 mA直流電流時(shí)壓敏電阻器兩端的電壓值

（2）限制電壓（V）：指壓敏電阻器兩端所能承受的最大電壓值

（3）通流容量（kA）：允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。

（4）漏電流（nA）：指在25℃條件下，當(dāng)施加最大連續(xù)直流電壓時(shí)，壓敏電阻中流過的電流值。

2.2 型號(hào)選擇說明

（1）壓敏電壓值大于整流后直流電壓值。

根據(jù)實(shí)際輸入電壓考慮，并設(shè)置余量。

（2）壓敏鉗位電壓值不得超過后端電路所能承受的最大電壓值。

如圖3所示電路，路線虛線回路，ⅠGBT的VCES=1 200 V，U（Z3+Z4）＜20 V，U（Z1+Z2）=320 V。

故，壓敏電阻鉗位電壓不得超過1 200+20+320=1 540 V，并設(shè)置足夠余量。

該電路選取TDK公司，S10K550型號(hào)壓敏電阻，產(chǎn)品滿足抗浪涌等級(jí)4的要求。線-線開路試驗(yàn)電壓2 kV，線-地開路試驗(yàn)電壓4 kV。

3 結(jié)論

本文提出的寬電壓輸入的穩(wěn)壓輸出電路適用于3P或3P+N電壓輸入。當(dāng)斷零、斷相、電源線錯(cuò)接時(shí)，電路可以正常運(yùn)行。最小三相電壓50 VAC時(shí)，最大單相相電壓達(dá)到440 V或三相相電壓同時(shí)達(dá)到350 V，電路可正常運(yùn)行。但此電路不宜用于大負(fù)載，負(fù)載大時(shí)，Ⅰc電流較大，ⅠGBT功率過高，發(fā)熱嚴(yán)重。

相對(duì)開關(guān)電源電路、阻容降壓電路或電壓器降壓電路等，此電路具有體積小效率高的特點(diǎn)，ⅠGBT電路設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)起到有益的作用。通過選擇合適參數(shù)的壓敏，電路的抗浪涌性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)4的要求。