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如何降低智能电器上小功率高频开关电源的成本?

本文介绍设计一种用于智能电器的小功率高频开关电源,阐述了该高频开关电源的方案选择和工作原理,电路设计、变压器设计以及对EMC的设计考虑。经试验,该高频开关电源达到了设计要求,成本低、体积小、电磁兼容性较好,具有较高的应用价值。 

随着经济社会的快速发展,电力供应的环保、高效、安全和可靠越来越成为工业界和学术界关注的热点,智能电网成为能源工业发展的新趋势。智能电器是智能电网非常重要的组成部分,对支撑智能电网的发展需要,提高电力设备自身的性能起到了重要的作用。新世纪以来,各种智能电器层出不穷,而作为智能电器的核心部件,智能控制器的功能也在不断增强[1]。

在智能电器控制器的研制中,高频开关电源是其中的重要组成部分,其性能的好坏直接关系到整个控制器工作的稳定性。而智能电器又具有量大面广、功能多、产品体积小、一般应用在电气环境较为恶劣的场合等特点,这样就对高频开关电源稳定性、成本、可靠性等提出了更高的要求[2]。

 

1 高频开关电源整体方案及工作原理

智能控制器高频开关电源一般取至主回路或外部控制高频开关电源。本文所需高频开关电源主要设计要求为85~265V AC/DC宽电压输入,一路5V/100mA输出供维持控制器的正常工作,一路24V/50mA供外部IO模块或通信电路使用。总体输出功率约为1.7W。

在低成本AC/DC多路输出结构中,一种较常见的结构是在高电压输出端采用低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)来获到低电压。但是在本方案中,由于24V和5V之间压差较大,若采取从24V一路通过线性降压的方式获得5V一路输出,将会使得高频开关电源整体效率较低,LDO器件发热量较大,影响控制器整体工作的稳定性。

另一种比较常见的结构是基于Flayback结构的反激式高频开关电源,该结构转换效率高,能实现多路输出,但缺点是电磁兼容性较差、元件较多,成本也比较高,并不适合结构紧凑、应用环境恶劣的智能电器控制器,也不利于降低成本[3][4]。 

考虑到控制器的体积和成本,选用非隔离降压型(BUCK)拓扑结构来实现该高频开关电源是一种比较可行的方式。BUCK型高频开关电源是一种经典的高频开关电源结构,尤其在DC/DC电路中应用广泛,在AC/DC中也比较常见,但在多路输出AC/DC中应用不多。 

本文采用的多路输出的BUCK结构就是采用耦合电感(CouplingInductance)的方式获得双路输出,作为BUCK结构的一个变种,其原理如图1所示。当MOS开关S闭合时,Vin给电感L、电容C1充电;当S闭合时,电感L放电,向C2充电,为副边提供能量。这样就较好的解决了BUCK结构多路输出的问题。此外,Vout2和Vout1及市电隔离,有利于提高Vout2回路的抗干扰能力[5]。

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图1 双输出BUCK降压拓扑


2 高频开关电源芯片的选择

如上文所述,高频开关电源要求电压范围较宽,待机功耗较小,以节约电能,同时尽可能的减小高频开关电源体积,降低成本。在这一要求下,设计方案采用意法半导体(ST Semiconductor)公司的VIPer12A。芯片原理框图如图2所示。

 

VIPer12 A 是一种专用的电流模式PWM 控制器,芯片具有以下特点:

1)采用电流模式(Current-Mode)控制脉宽调制,开关频率是固定的,为60kHz; 

2)内置高压功率MOS 管,同控制器集成在同一块硅片上,可以不用外接MOS管。 

3)在轻负载下电路进入自动突发模式(Automatic burst mode)。此时,MOS管开通时间会变得很短,以致要丢失几个开关周期才出现脉冲。 

4)VDD脚电压范围很宽,为9-38V。芯片有过温、过流、过压保护功能,并能自动再启动;而在过压时,则工作在打嗝模式(Hiccup mode)。

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图2  芯片结构框图


3 高频开关电源电路设计

高频开关电源电路原理图如图3所示。高频开关电源电压通过C1整流后,流经VIPer12A的源级(D)、漏极(S)。芯片通过对内置MOSFET的开关操作,使得高频变压器T1原边和副边持续不断进行充放电操作。 

24V通过原边输出,5V由副边输出。电路通过D3、D4、C3组成的回路来为芯片提供反馈,从而保持输出电流、电压的稳定性。R1为24V端的负载电阻,可以在24V输出端开路时提供稳定的环路,有利于5V的稳定输出。

如何降低智能电器上小功率高频开关电源的成本? 

图3 高频开关电源电路图


3.1工作模式的选择 

在小功率情况下,一般我们希望高频开关电源工作在非连续导通模式(DCM,Discontinuous Conduction Mode)模式,相比连续导通模式(CCM,Continuous Conduction Mode)模式,DCM模式工作更稳定,闭环响应会更好,电感量也较小,从而减小了变压器的体积[6]。 


3.2高频变压器的设计

高频变压器的设计是整个高频开关电源设计的关键。先假设电路工作在临界导通模式(BCM,BoundryConduction Mode)模式,计算在该模式低压满载情况下的电感量。 

经实际测量,如图3所示,在C1取4.7uF,输入交流电压不变的情况下,C1上的脉动直流电压的变化为20~30V,且随着输入的交流电压值的升高,变化范围越小。

如何降低智能电器上小功率高频开关电源的成本?

如何降低智能电器上小功率高频开关电源的成本?

图4芯片D、S引脚上的电压波形


3.3测试结果

表1为在额定负载下输入电压在85~265V/AC变化时输出电压的变化情况,24V输出的线性调整率为0.71%,5V输出的线性调整率为1.2%。

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表1 额定负载下输入电压变化时输出电压

表2为在输出负载变化情况下的5V电压的输出情况,其中24V侧为4.7K电阻负载。可以看到电压始终保持在稳定状态,在15%~100%输出电流下5V输出的负载调整率为3.2%。

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表2 输出负载变化时5V电压输出


4  PCB和EMC设计 

考虑到电路输出功率较小,我们采用安规电容X2和差模电感组成的一阶EMI滤波电路。L、N进线端加压敏电阻以防止雷击浪涌。相对与相同功率输出的FlyBack结构的高频开关电源,该高频开关电源EMC电路简单,器件的数量较少,取值也较小。 

在PCB布局上,如图5所示,通过减少高频开关电源电路的高频交流回路和输出回路的的面积来减少电磁干扰。功率部分与控制信号部分要用不同的接地层,并通过单点连接,以最大程度的减少功率回路对信号控制部分的干扰。同时,在芯片的漏极铺铜,以降低芯片的工作温度。 

高频开关电源顺利通过了雷击浪涌实验,通过了射频传导发射试验且相对标准值有较大裕量,如图6所示。此外还结合控制器通过了静电放电、电快速瞬变脉冲群和辐射发射等试验,符合GB14048.1-2012标准,证明该高频开关电源有较好的电磁兼容性。

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图5 高频开关电源PCB布局

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图6射频传导发射试验结果


5结论

经测试,5V、24V两路输出电压在85~265VAC的输入电压范围内均能稳定正常输出,误差在±5%之内,通过了长时间的老化试验,符合设计要求。 

该高频开关电源元件数量少且无特殊元器件,物料成本仅为10元左右,适合对体积有较高要求的紧凑型控制器,性价比较高。该高频开关电源不仅适用于智能电器,也适用于其他有相同需求的控制器产品。

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