三相智能電表開(kāi)關(guān)電源解決方案(圖)

　　三相智能電表的內部電源結構：

　　智能電表中開(kāi)關(guān)電源的要求：

　　本文僅針對幾個(gè)重要的要求提出解決方案：

　　極寬輸入電壓范圍

　　多路輸出調整率

　　各類(lèi)異常

　　層疊式普通反激方案：

　　對于常規輸入電壓(85Vac-265Vac)的小功率開(kāi)關(guān)電源應用，綜合效率及成本，反激拓撲最為常見(jiàn)。結構上可以采用控制器配外置的開(kāi)關(guān)器件，或者考慮集成度，也有集成控制器和開(kāi)關(guān)器件于一個(gè)封裝。開(kāi)關(guān)器件的耐壓等級通常為650V，700V和800V。如果對于三相應用，考慮到變壓器的反射電壓及漏感和設計余量，該類(lèi)器件無(wú)法滿(mǎn)足要求。而單純采用一個(gè)高壓開(kāi)關(guān)器件，如1000V或1200V以上的功率開(kāi)關(guān)器件，挑選余地并不大，成本也較高。因此，在三相電表中考慮的第一個(gè)設計問(wèn)題就是如何解決高輸入電壓下的耐壓?jiǎn)?wèn)題。以一個(gè)具體規格為例進(jìn)行說(shuō)明：

　　規格：

　　由于多路輸出和小功率輸出的特點(diǎn)，電源拓撲選擇反激較為合適。本文中控制芯片為英飛凌ICE3AR2280JZ。其內部除了工作頻率為100KHz的電流模式控制器外，還集成了800VCoolMOS，導通電阻為2.2ohm，封裝為DIP7。該芯片內部同時(shí)集成了800V的高壓?jiǎn)?dòng)單元。在環(huán)境溫度為50度，常規寬電壓輸入(85Vac-265Vac)情況，最大輸入功率可達28W。同時(shí)，芯片還具有過(guò)流、過(guò)壓、輸入欠壓、過(guò)溫等保護功能和提高輕載效率的突發(fā)模式。鑒于小功率應用，變壓器尺寸及環(huán)路補償等因素，通常建議系統在全負載段工作于電流斷續模式(DCM)。

　　原理描述：

　　輸入電壓經(jīng)過(guò)前級的共模濾波器L1，C20，C21和兩個(gè)整流橋BR1和BR2；壓敏電阻RV1，RV2，RV3及CX11，CX12，CX13構成過(guò)壓保護線(xiàn)路；功率電阻R1，R2，R3用于抑制浪涌電流。為了簡(jiǎn)化設計，濾波電感的位置被放置于整流橋后以節省成本?？紤]到輸入缺相情況，即只要任意兩根線(xiàn)存在，不論火線(xiàn)零線(xiàn)還是火線(xiàn)火線(xiàn)，系統仍舊可以正常工作，采用兩個(gè)整流橋輸出并聯(lián)使用。整流后，由于最大峰值電壓可達780V，因此采用兩個(gè)450V電解電容進(jìn)行串聯(lián)使用，同時(shí)考慮電壓平衡，R13，R14，R15，R16并接在電容兩側。

　　原邊的開(kāi)關(guān)線(xiàn)路由變壓器、鉗位電路、開(kāi)關(guān)管及CoolSET、TVS、齊納二極管等組成。

　　啟動(dòng)時(shí)，電流通過(guò)R19，R20，R21，R22流過(guò)齊納二極管D10進(jìn)入CoolSET的漏極相連的高壓?jiǎn)?dòng)單元。CoolSET內部的高壓?jiǎn)?dòng)單位為800V，由于外部的TVS二極管的存在，超高電壓會(huì )被鉗位于一個(gè)特定的電壓，以保護CoolSET。但CoolSET開(kāi)通時(shí)，外部MOSFET的源極被拉至地，從而齊納管D10形成反偏，從而使外部MOSFET開(kāi)通；當CoolSET關(guān)斷時(shí)，電感電流首先對CoolSET內部的MOSFET的漏源電容進(jìn)行充電，直到Vds電壓達到外部TVS二極管的鉗位電壓時(shí)，電流開(kāi)始對外部MOSFET的門(mén)極源極電容進(jìn)行放電，直到位于GS間的齊納二極管的正向電壓超過(guò)0.7V，外部MOSFET關(guān)斷，同時(shí)電流將通過(guò)齊納二極管D10流向外部TVS二極管或R19，R20，R21，R22。取決于兩個(gè)回路的阻抗，由于外部MOSFET的Vgs已經(jīng)接近于零，因此MOSFET將被徹底關(guān)斷；對于超過(guò)外部TVS管額定電壓的輸入，此時(shí)CoolSET電壓應力即為外部TVS的鉗位電壓值。例如，采用了550VTVS二極管和一個(gè)800V的外部MOSFET，那么反激的耐壓能力為：550V+800V=1350V。作為設計，考慮惡劣情況，可以粗略估計從內部MOSFET到外部MOSFET關(guān)斷的時(shí)間即為流過(guò)外部TVS二極管的時(shí)間，用最大負載時(shí)的峰值電流容易得到流過(guò)TVS的平均電流。因此TVS二極管的損耗即為平均電流和鉗位電壓之積；

　　輸出電路由肖特基二極管，吸收電路，濾波器構成。為了紋波要求，采用二級濾波器。其中輸出1為主5V，與12V共地，另外一個(gè)5V的參考地與輸出1，2隔離?？紤]到多路輸出負載交叉調整問(wèn)題，12V的參考疊加在5V輸出。這樣對于12V輸出，調整精度有所提高。因為規避了5V輸出上二極管正向壓降隨電流變化的影響?；趧?dòng)態(tài)穩定性方面的考慮，12V輸出電容C8放置于5V輸出，這樣可以避免5V輸出大動(dòng)態(tài)負載跳變時(shí)造成12V輸出不穩定的情況。

　　反饋電路由分壓網(wǎng)絡(luò )、補償網(wǎng)絡(luò )、TL431及光耦構成。補償部分由C10，C11和R10構成，其中R10與C10，C11分別構成兩個(gè)極點(diǎn)和零點(diǎn)對電流型反激進(jìn)行補償。

　　變壓器考慮尺寸，選用EE20-PC40磁芯。綜合占空比，選擇

　　設計考慮：

　　ICE3AR2280JZ的最大占空比為0.7，為了合理利用占空比以覆蓋超寬的電壓范圍，取反射電壓為150V。根據最低輸入電壓，滿(mǎn)載條件可知最大占空比為0.62。因此電感為：1.024mH

　　選原邊匝數Np=72，副邊主5V匝數Ns1=3，芯片Vcc匝數Nvcc=8；考慮到輸出采用直流層疊的方式，故12V繞組圈數取4(12V繞組疊加于主5V輸出，而非5V繞組端)。變壓器結構如下：

　　測試結果：

　　負載調整率及輸入調整率：

結語(yǔ)：

　　通過(guò)測試可以看出：當CoolSET內部MOSFET的Vds電壓達到550V左右時(shí)，電壓被TVS所鉗位；通過(guò)原邊電流的續流將外置MOSFET徹底關(guān)斷，從而使得整個(gè)關(guān)斷的電壓應力由兩個(gè)MOSFET串聯(lián)分擔。采用二級LC濾波后，輸出紋波為：24mV(5V)，79mV(12V)，20mV(隔離5V)；交叉調整率方面可以在輸出不外加線(xiàn)性穩壓器情況下實(shí)現10%以?xún)鹊慕徊嬲{整(》10%負載)。對于更高壓的設計，可以采用多個(gè)TVS串聯(lián)方式，以800VCoolSET和800VCoolMOS為例，最高耐壓可達1600V?？梢酝耆m應高壓輸入應用的要求。