基于ICE3AR2280JZ芯片和CoolMOS的三相開關(guān)電源的方案

背景：

智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計(jì)量功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用它還具有用電信息存儲(chǔ)、雙向多種費(fèi)率計(jì)量功能、用戶端控制功能、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信功能、防竊電功能等智能化的功能，智能電表代表著未來節(jié)能型智能電網(wǎng)最終用戶智能化終端的發(fā)展方向。減低智能電表自身功耗，提高其運(yùn)行能效已成為當(dāng)前智能電表的重要環(huán)節(jié)。開關(guān)電源不同于智能電表中的其他器件，規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)或?qū)⑹翘岣咂焚|(zhì)、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝。雖然智能電表用開關(guān)電源已經(jīng)獲得重視，然而國內(nèi)在開關(guān)電源的發(fā)展上，還存在基礎(chǔ)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題。另外開關(guān)電源引發(fā)的炸表現(xiàn)象一直也是困擾和阻礙其廣泛應(yīng)用的重要原因之一。其他原因還有，長期工作的可靠性等。目前國內(nèi)智能電表用電源依舊以傳統(tǒng)工頻變壓器為主，而國外一些產(chǎn)品已經(jīng)逐步使用了開關(guān)電源。主要的原因是電表功能加強(qiáng)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(yùn)輸成本，開關(guān)電源會(huì)有具備很大優(yōu)勢。

三相智能電表的內(nèi)部電源結(jié)構(gòu)：

智能電表中開關(guān)電源的要求：

本文僅針對(duì)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(diào)整率

各類異常

層疊式普通反激方案：

對(duì)于常規(guī)輸入電壓(85Vac-265Vac)的小功率開關(guān)電源應(yīng)用，綜合效率及成本，反激拓?fù)渥顬槌Ｒ?。結(jié)構(gòu)上可以采用控制器配外置的開關(guān)器件，或者考慮集成度，也有集成控制器和開關(guān)器件于一個(gè)封裝。開關(guān)器件的耐壓等級(jí)通常為650V,700V和800V.如果對(duì)于三相應(yīng)用，考慮到變壓器的反射電壓及漏感和設(shè)計(jì)余量，該類器件無法滿足要求。而單純采用一個(gè)高壓開關(guān)器件，如1000V或1200V以上的功率開關(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(shè)計(jì)問題就是如何解決高輸入電壓下的耐壓問題。

以一個(gè)具體規(guī)格為例進(jìn)行說明：

規(guī)格：

由于多路輸出和小功率輸出的特點(diǎn)，電源拓?fù)溥x擇反激較為合適。本文中控制芯片為英飛凌ICE3AR2280JZ.其內(nèi)部除了工作頻率為100KHz的電流模式控制器外，還集成了800VCoolMOS,導(dǎo)通電阻為2.2ohm,封裝為DIP7.該芯片內(nèi)部同時(shí)集成了800V的高壓啟動(dòng)單元。在環(huán)境溫度為50度，常規(guī)寬電壓輸入(85Vac-265Vac)情況，最大輸入功率可達(dá)28W.同時(shí)，芯片還具有過流、過壓、輸入欠壓、過溫等保護(hù)功能和提高輕載效率的突發(fā)模式。鑒于小功率應(yīng)用，變壓器尺寸及環(huán)路補(bǔ)償?shù)纫蛩?，通常建議系統(tǒng)在全負(fù)載段工作于電流斷續(xù)模式(DCM)。

原理圖：

原理描述：

輸入電壓經(jīng)過前級(jí)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(gòu)成過壓保護(hù)線路;功率電阻R1,R2,R3用于抑制浪涌電流。為了簡化設(shè)計(jì)，濾波電感的位置被放置于整流橋后以節(jié)省成本。考慮到輸入缺相情況，即只要任意兩根線存在，不論火線零線還是火線火線，系統(tǒng)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(dá)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(cè)。

原邊的開關(guān)線路由變壓器、鉗位電路、開關(guān)管及CoolSET、TVS、齊納二極管等組成。

啟動(dòng)時(shí)，電流通過R19,R20,R21,R22流過齊納二極管D10進(jìn)入CoolSET的漏極相連的高壓啟動(dòng)單元。CoolSET內(nèi)部的高壓啟動(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(hù)CoolSET.但CoolSET開通時(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開通;當(dāng)CoolSET關(guān)斷時(shí)，電感電流首先對(duì)CoolSET內(nèi)部的MOSFET的漏源電容進(jìn)行充電，直到Vds電壓達(dá)到外部TVS二極管的鉗位電壓時(shí)，電流開始對(duì)外部MOSFET的門極源極電容進(jìn)行放電，直到位于GS間的齊納二極管的正向電壓超過0.7V,外部MOSFET關(guān)斷，同時(shí)電流將通過齊納二極管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(duì)于超過外部TVS管額定電壓的輸入，此時(shí)CoolSET電壓應(yīng)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(shè)計(jì)，考慮惡劣情況，可以粗略估計(jì)從內(nèi)部MOSFET到外部MOSFET關(guān)斷的時(shí)間即為流過外部TVS二極管的時(shí)間，用最大負(fù)載時(shí)的峰值電流容易得到流過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(gòu)成。為了紋波要求，采用二級(jí)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(fù)載交叉調(diào)整問題，12V的參考疊加在5V輸出。這樣對(duì)于12V輸出，調(diào)整精度有所提高。因?yàn)橐?guī)避了5V輸出上二極管正向壓降隨電流變化的影響。基于動(dòng)態(tài)穩(wěn)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(fù)載跳變時(shí)造成12V輸出不穩(wěn)定的情況。

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

變壓器考慮尺寸，選用EE20-PC40磁芯。綜合占空比，選擇

設(shè)計(jì)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(jù)最低輸入電壓，滿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(shù)Np=72,副邊主5V匝數(shù)Ns1=3,芯片Vcc匝數(shù)Nvcc=8;考慮到輸出采用直流層疊的方式，故12V繞組圈數(shù)取4(12V繞組疊加于主5V輸出，而非5V繞組端)。變壓器結(jié)構(gòu)如下：

測試結(jié)果：

負(fù)載調(diào)整率及輸入調(diào)整率：

上下MOSFET的開關(guān)波形及輸出紋波：

結(jié)語：

通過測試可以看出：當(dāng)CoolSET內(nèi)部MOSFET的Vds電壓達(dá)到550V左右時(shí)，電壓被TVS所鉗位;通過原邊電流的續(xù)流將外置MOSFET徹底關(guān)斷，從而使得整個(gè)關(guān)斷的電壓應(yīng)力由兩個(gè)MOSFET串聯(lián)分擔(dān)。采用二級(jí)LC濾波后，輸出紋波為：24mV(5V)，79mV(12V)，20mV(隔離5V);交叉調(diào)整率方面可以在輸出不外加線性穩(wěn)壓器情況下實(shí)現(xiàn)10%以內(nèi)的交叉調(diào)整(》10%負(fù)載)。對(duì)于更高壓的設(shè)計(jì)，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(dá)1600V.可以完全適應(yīng)高壓輸入應(yīng)用的要求。