一種基于ICE3AR2280JZ和CoolMOS的三相開(kāi)關(guān)電源設計

背景：

智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，除了具備傳統電能表基本用電量的計量功能以外，為了適應智能電網(wǎng)和新能源的使用它還具有用電信息存儲、雙向多種費率計量功能、用戶(hù)端控制功能、多種數據傳輸模式的雙向數據通信功能、防竊電功能等智能化的功能，智能電表代表著(zhù)未來(lái)節能型智能電網(wǎng)最終用戶(hù)智能化終端的發(fā)展方向。減低智能電表自身功耗，提高其運行能效已成為當前智能電表的重要環(huán)節。開(kāi)關(guān)電源不同于智能電表中的其他器件，規?；?、標準化生產(chǎn)或將是提高品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝。雖然智能電表用開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)獲得重視，然而國內在開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展上，還存在基礎理論欠缺、產(chǎn)業(yè)水平跟不上需求、生產(chǎn)工藝不成熟等諸多問(wèn)題。另外開(kāi)關(guān)電源引發(fā)的炸表現象一直也是困擾和阻礙其廣泛應用的重要原因之一。其他原因還有，長(cháng)期工作的可靠性等。目前國內智能電表用電源依舊以傳統工頻變壓器為主，而國外一些產(chǎn)品已經(jīng)逐步使用了開(kāi)關(guān)電源。主要的原因是電表功能加強后，供電功率要求增加，工頻變壓器很難勝任。同時(shí)，考慮到安裝及運輸成本，開(kāi)關(guān)電源會(huì )有具備很大優(yōu)勢。

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)。

原理圖：

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 )、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。

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