宽电压输入的稳压输出电路设计及浪涌抗扰度分析

2022-12-05梅珍妮

科技创新与应用 2022年34期

梅珍妮

（厦门中翎易优创科技有限公司，福建厦门 361000）

现有技术中，对工频交流电（AC）降压一般采用开关电源电路、阻容降压电路或者经过变压器降压后通过整流滤波获得需要的直流电压。由于开关电源中的变压器、阻容降压中的降压电容、以降压变压器等器件体积较大，常规电路均不能满足产品的小型化要求。基于此，本文提出一种基于ⅠGBT的与开关电源芯片结合的降压电路，并且电路具有宽电压输入的优点。同时，电路在抗电磁干扰方面也具有良好的性能。本文以抗浪涌试验为例进行EMC特性分析。

1 宽电压稳压输出电路

1.1 ⅠGBT介绍

ⅠGBT（Ⅰnsulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET（金氧半场效晶体管）的高输入阻抗和GTR（电力晶体管）的低导通压降的优点。

STGD5NB120SZ具有低导通压降（VCE（sat））、高电流能力、高压钳位的特点，该器件是采用先进的Power－MESH技术开发的低功耗内部箝位ⅠGBT。这一过程保证了开关性能和低导通状态行为之间的良好权衡。主要应用于低开关频率领域。

图1为STGD5NB120SZ示意图，其中器件部分绝对最大额定值见表1，特性参数见表2。

表2 STGD5NB120SZ参数表

图1 STGD5NB120SZ示意图

表1 STGD5NB120SZ绝对最大额定值

1.2 LNK306芯片介绍

LNK306是POWER公司的一款非隔离的开关电源芯片，可以用于输出电流小于360 mA的所有线性及电容式降压电路，输出电流见表3。内部集成了700 V功率MOSFET、振荡器、简单的开/关控制方案、高压开关电流源、频率调制、逐周期电流限制电路及过温保护电路。芯片在启动和工作时，电源直接来自漏极引脚上的电压，无需在BUCK或反激变换器中使用偏置电源和相关电路。LNK306中集成自动重启电路，可在短路或开环等故障条件下安全限制输出功率，从而减少外部元器件数量和外围保护电路成本。如果需要，ⅠC提供的本地电源允许使用非安全级光耦作为电平移位器，以进一步增强buck和buck-boost转换器中的线路和负载调节性能。

表3 输出电流表（mA）

1.3 宽电压输入的稳压电路分析

工频交流电（AC），居民用电或工业用电，可分为工频单相交流电和工频三相交流电。对工频电的使用，可以首先将其整流、滤波、降压，得到一个一次直流电压，如24 Vd.c.，之后再通过DC-DC芯片或LDO芯片等转化为后端MCU或驱动电路所用的直流电压，如12 Vd.c.、3.3 Vd.c.等。

图2为宽电压输入稳压电路，三相交流电PA、PB、PC、PN经过限流电阻R1、R2、R3和保险丝F1后，通过D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8八颗二极管的单向导通作用，全波整流、滤波，得到直流高压电。通过ⅠGBT一次稳压作用，将电压降低到一特定值，经过π型滤波电路进行滤波，得到一个较为平滑的直流电压，作为输入，供给开关电源芯片U1。经过开关电源芯片U1及外围电流配比，输出得到+24 Vd.c.电压。

1.3.1 整流滤波电路

目前，世界各国的电力系统中，电能的生产、传输和供电方式，绝大多数采用三相制。对称三相电源由3个等幅值、同频率、初相依次滞后120°的正弦电压源连接成星型或三角形组成的电源。这3个电源依次称为A相、B相和C相。

在图2中，输入PA、PB、PC、PN三相电源，分别外接电力系统A相、B相、C相及零线N。经过限流电阻R1、R2、R3和保险丝F1后，通过D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8八颗二极管的单向导通作用，经过全波整流、滤波，得到直流高压电。

图2 宽电压输入稳压电路

三相桥式整流后输出电压平均值为

三相桥式整流后输出电压最大值为

考虑市电不稳定性，欠压相电压最低为50 V，过压相电压最高为275 V。

（1）根据公式计算，整流滤波后电压平均值

（2）根据公式计算，整流滤波后电压最大值

1.3.2 ⅠGBT稳压电路

当输入三相AC电压的波动在50～350 VAC范围内时，输入到ⅠGBT的C极电压范围为117～819 V。

如图3所示，根据负载电压要求，选择稳压管标称值。降压电路输出电压UO，输出电压略小于稳压管上端电压值UG。稳压管的选择数量和稳压值根据实际电路确定。流经稳压管的电流值由电阻R4、R5和整流后电压UC确定。

图3 电流走向示意图

后端，LNK306要求UO输出不大于400 VDC，以选择2个160 V的稳压管为例进行介绍。稳压管电压值合计320 V。

从而确定电阻的耐压、阻值、功率参数。

STGD5NB120SZ相关参数为

（1）当VC≤320 V时，VG≈VC；（2）当VC＞320 V时，VG=320 V。

设UO后端等效负载RD，则流经负载RD电流为IC，

故：UO=RD×IC。

UO等于ⅠGBT后端输出电压UE。

故：UGR=UG-UE=UG-RD×IC。

此处，UG和RD对既定电路为已知量，UGE为IC的一次函数，与转移特性曲线结合得出如图4曲线。2条曲线的交点，即为电路工作的实际UGE电压，略大于开启电压VGE(th)。

图4 STGD5NB120SZ转移特性曲线

稳压管Z3和Z4的选择，作用为保护ⅠGBT的G脚和E脚在大电流冲击情况下不被损坏。稳压值小于VGE（±20 V）。

1.3.3 LNK306降压电路

不大于8.64 W通用输入降压电路如图5所示，电路是一个24 V、360 mA非隔离电源的典型实现，用于磁保持继电器的控制。

图5 LNK306降压电路

输入级为π型滤波电路，作用就是去除不需要的谐波，在直流电源中时减小电流的脉动，使电流更加平滑。

功率处理级由开关电源芯片U1（LNK306）、续流二极管D2、电感器L3和输出电容C9组成。LNK306的选择应确保电源在连续传导模式（CCM）下工作。二极管D2是一种超快二极管，对于连续传导模式（CCM）设计，二极管的trr建议使用在35 ns内。电感器L3是一种标准的电感器，具有适当的RMS电流额定值（且可接受温度上升）。电容器C9为输出滤波电容，其主要功能是限制输出电压纹波。

开始工作，D2和D9的正向电压降是相同的，因此，C8上跟随输出电压。C8上产生的电压通过连接到U1反馈引脚的电阻分压器R7和R8进行感应和调节。R7和R8的值的选择应确保在所需输出电压下，反馈引脚处的电压为1.65 V。

通过跳过切换周期来维持调节。随着输出电压的升高，进入反馈引脚的电流将升高。如果超过反馈电源ⅠFB，则将跳过后续循环，直到电流降至ⅠFB以下。因此，随着输出负载的减少，将跳过更多的周期，如果负载增加，将跳过更少的周期。为了在50 ms内没有跳过任何周期时提供过载保护，开关电源芯片LNK306将进入自动重启，将平均输出功率限制在最大过载功率的6%左右。

由于轻载或空载时输出电压和C8两端电压之间的跟踪误差，需要一个小的假负载R9。对于图5中的设计，如果需要调节至零负载，则该值应降低至2.4 kΩ。