开关电源输入整流滤波电路的设计 admin    18/09/08



一.输入整流管的选择

    对于非隔离式开关电源,可采用输入整流管进行半波整流。隔离式开关电源一股采 用由整流管构成的整流桥,亦可直接选用成品整流桥,完成桥式整流。

    近年来,以大管芯、小封装为特点的各种塑料封装(以下简称塑封)硅整流管大量 上市。它们的体积很小、性能优良、价格低廉,可取代原国产2CZ系列整流管。塑封 整流管的典型产品有1N4001—1N4007(1A)、1N5391—1N5399(1.5A)、1N5400一 1N5408(3A),主要技术指标见表3-3-1,外形如图3-3-1所示,靠近色环(通常为 白颜色)的引线为负极。注意,1N4007也有封装成球形的

图3-3-1  塑封硅整流管的外形

表3-3-1  常见塑封硅整流管的技术指标

型号 最高反问工作电压URM(V) 额定整流电流IF(A) 最大正向压降UFM(V) 最高结温TjM(℃) 封装形式 国内参考型号
lN4001501.0≤1.0175DO-412CZ11~2CZ11J 2CZ55B~M
lN4002100
lN4003200
lN4004400
lN4005600
lN4006800
lN40071000
lN5391501.5≤1.0175DO-152CZ86B~M
lN5392100
lN5393200
lN5394300
lN5395400
lN5396500
lN5397600
lN5398800
lN53991000
lN5400503≤1.0170DO-272CZ12~2CZl2J 2DZ2~2DZ2D 2CZ56B~M
lN5401100
lN5402200
lN5403300
lN5404400
lN5405500
lN5406600
lN5407800
lN54081000

二.输入整流桥的选择

    全波桥式整流器简称硅整流桥,它是将四只硅整流管接成桥路形式,再用塑料封装 而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点,可广 泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端,其中交流输入端、直流输出端各 两个。图3-3-2示出几种硅整流桥的外形。硅整流桥的最大整流电流平均值分0.5、1、 1.5、2、3、4、6、8、10、15、25、35、40A等规格,最高反向工作电压有50、100、 200、400、800、1000V等规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上,大、中功率硅 整流桥则要用螺钉固定,并且需安装合适的散热器。

图3-3-2  几种硅整流桥的外形

1.整流桥的导通时间与选通特性

    50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1,再通过输入滤波电容得到直 流高压UI。在理想情况下,整流桥的导通角本应为180°(导通范围是从0°~180°),但 由于滤波电容器C的作用,仅在接近交流峰值电压处的很短时间内,才有输入电流经 过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms,整流桥的导通时间tC3ms,其导 通角仅为54°(导通范围是36°~90°)。因此,整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整 流滤波电路的原理如图3-3-3(a)所示,整流滤波电压及整流电流的波形分别如图 (b)、图(c)所示。

图3-3-3  整流滤波电压及整流电流的波形

    最后总结几点:

    (1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30%。

    (2)整流二极管的一次导通过程,可视为一个“选通脉冲”,其脉冲重复频率就等 于交流电网的频率(50Hz)。

    (3)为降低开关电源中500kHz以下的传导噪声,有时用两只普通硅整流管(例如 1N4007)与两只快恢复二极管(如FRl06)组成整流桥,FR106的反向恢复时间trr ≈ 250ns。

2.整流桥的参数选择

    整流桥的主要参数有反向峰值电压URM(V),正向压降UF(V),平均整流电流 IF(AV)(A),正向峰值浪涌电流IFSM(A),最大反向漏电流IR(uA)。整流桥的典型产 品有美国威世(VISHAY)半导体公司生产的3KBP005M~3KBP08M,其主要技术指 标见表3-3-2。整流桥的反向击穿电压断应满足下式要求

URM ≥ 1.25x1.414xUmax    (3-3-1)

表3-3-2  3KBP005M~3KBP08M型整流桥主要技术指标

型号 3KBP005M 3KBP01M 3KBP02M 3KBP04M 3KBP06M 3KBP08M
URM(V)50100200400600800
UF(V)1.05
IF(AV)(A)3.0
IFSM(A)80
IR(uA)5.0

     举例说明,当交流输入电压范围是85~132V时,Umax=132V,由式(3-3-1)计 算出URM=233.3V,可选最高反向耐压400V的成品整流桥。对于宽范围输入交流电 压,Umax=265V,同理求得URM=468.4V,应选最高反向耐压600V的成品整流桥。需

    要指出,假如用4只硅整流管来构成整流桥,整流管的耐压值还应进一步提高。辟如可 选1N4007(1A/1000V)、1N5408(3A/1000V)型塑封整流管。这是因为此类管子的 价格低廉,且按照耐压值“宁高勿低”的原则,能提高整流桥的安全性与可靠性。

    设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定的有效值电流为IBR,应当伎IBR ≥ 2IRMS。计 算IRMS的公式如下

IRMS = PO/(ηumincosφ)    (3-3-2)

    式中:PO为开关电源的输出功率;η为电源效率;umin为交流输入电压的最小值;cosφ 为开关电源的功率因数,允许cosφ=0.5~0.7。由于整流桥实际通过的不是正弦波电 流,而是窄脉冲电流(参见图3-3-3),因此整流桥的平均整流电流Id<IRM,一般可按 Id=(0.6~0.7)IRM来计算IAVG值。

    例如,设计一个7.5V/2A(15W)开关电源,交流输 入电压范围是85—265V,要求η=80%。将PO=15W、η =80%、umin=85V、>cosφ=0.7一并代入式(3-3-2)得 到,IRMS=0.32A,进而求出Id=0.65×IRMS=0.21(A)。 实际选用1A/600V的整流桥,以留出一定余量。

    整流桥亦可由4只整流管构成,例如可选1N4007 型1A/1000V硅整流管。需要指出,图3-3-4中采用 两只FRl06型1A/800V快恢复二极管(VD1、VD2)、 两只1N4007型普通硅整流管(VD3、VD4),目的是降 低开关电源中500kHz以下的传导噪声。FR106的反向 恢复时间trr≈250ns。

图3-3-4  由硅整流管和快恢复二极管组成整流桥

三.输入滤波电容器的选择

1.输入滤波电容器容量的选择

    为降低整流滤波器的输出纹波,输入滤波电容器的容量CI必须选得合适。令每单 位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量(uF)的比例系数为k,当交流电压u= 85~265V时,应取k=2~3uF/W;当交流电压u=230V(1±15%)时,应取k=1uF/W。 输入滤波电容器容量的选择方法详见表3-3-3,PO为开关电源的输出功率。

表3-3-3  输入滤波电容器容量的选择方法

u(V) umin(V) PO(W) k(uf/W) CI(uF)
110(1±15%)≥902~32~3≥(2~3)PO
85~265≥902~32~3≥(2~3)PO
240(1±15%)≥24011≥PO

2.准确计算输入滤波电容器容量的方法

    输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CI值选得过低,会使UImin值大 大降低,而输入脉动电压UR却升高。但CI值取得过高,会增加电容器成本,而且对于 提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CI准确值的方法。

    设交流电压“的最小值为umin。u经过桥式整流和CI滤波,在u=umin情况下的输出 电压波形如图3-3-5所示。该图是在PO=POM,f=50Hz、整流桥的导通时间tC= 3ms,η=80%的情况下绘出的。由图可见,在直流高压的最小值UImin上还叠加一个幅 度为UR的一次侧脉动电压,这是CI在充放电过程中形成的。欲获得CI的准确值,可 按下式进行计算

CI = 2PO(1/f - tC)/η/(2Umin2 - UImin2)   (3-3-3)

图3-3-5  交流电压为最小值时的输出电压波形

    [例]在宽范围电压输入时,umin=85V。取UImin=90V,f=50Hz,tC=3ms,假定 PO=30W,η=80%,一并代入式(3-3-3)中求出CI=84.2uF,比例系数CI/PO= 84.2uF/30W=2.8uF/W,这恰好在2~3uF/W允许的范围之内。

四.倍压整流及交流输入电压转换电路的设计

1.倍压整流电路的设计

    某些小功率的工业控制电源,要求能在工业现场提供的安全电压下工作。所谓安全 电压,是指为防止发生触电事故而由特定电源供电所采用的电压系列。按照国家标淮 GB/T 380 5—2008《特低电压(ELV)限值》的规定,我国安全电压额定值的等级为 42、36、24、12V和6V。具体数值应根据作业场所、操作员条件、使用方式、供电方 式、线路状况等因素加以确定。

    例如要求低压输入式工业控制辅助电源的交流电压输入范围为u=18—30V。而TinySwitch-III 系列单片开关电源能够正常启动和工作的最低漏极直流电压为50v。当开 关电源的输入直流电压UI<50V时,芯片就无法提供足够的偏压以维持正常工作,这 就大大限制了TinySwitch-III系列产品在低压情况下的应用。为解决上述难题,使TinySwitch-III 在超低交流输入电压下也能正常工作,可采用倍压整流电路。典型的倍压 整流电路如图3-3-6所示。

图3-3-6  典型的倍压整流电路

    由VD1、VD2、C1和C2组成倍压整流电路,VD1、VD2可采用1A/ 100V的硅整流管1N4002。R1和R2为均压电阻,用于平衡C1、C2的压 降,使二者相等。C1、C2应采用较大容量的100uF/100v电解电容器, 以确保整流后的直流电压不低于+50V。该电路实际由两个半波整流 电路构成。在交流电的正半周,VD1进行半波整流,C1起到滤波作用。 整流后的直流电压为UC1(C1的负极接零线);在交流电的负半周,VD2 进行半波整流,C2起到滤波作用。 整流后的直流电压为UC2(C2的正极接零线),C2两端的电压极性为上端为正,下端为 负。UC1与UC2叠加后,获得UI'=UC1+UC2=2UI,从而实现了倍压输出。由于小功率开关 电源的负载很轻,而C1、C2的容量较大,因此UI'≈2√2u。不难算出,当u=18v时, UI'≈2√2u=2x1.414x18=50.9V>50V,可满足TinySwitch-III对直流输入电压的需要。

2.110v/220v交流输入电压转换电路的设计

    能实现110V/220V交流输入电压转换的两种电路分别如图3-3-7(a)、(b)所示。 二者适配桥式整流滤波器;它们的区别是图(a)采用单刀单掷开关,图(b)采用单刀 双掷开关,并且开关在电路中的接法也不同。下面以图(a)为例,分析其工作原理。 VD1~VD4为整流桥中的4只整流管。S为电源选择开关。将S闭合时选择110V交流 电,进行倍压整流,R1和R2为均压电阻,可以平衡滤波电容C1、C2上的电压,避免 某一电容因压降过高而被击穿。此外,在断电后这两只电阻还给滤波电容提供泄放回 路。将S断开时选择220v交流电。

图3-3-7  110V/220V交流输入电压转换电路

    图3-3-7(a)所示110V倍压整流电路的工作原理如图3-3-8所示。假定在交流 电的正半周,a点呈正电位,b点为负电位,此时整流桥中的二极管VD2和VD3导通, VD1与VD4截止,参见图3-3-8(a)。110V交流电就沿下述途径对C2充电: u→a→c→C2→VD3→b,将UC2充到约√2×110v=155v,极性为上端正、下端负。在负半周时 b点呈正电位,a点变成负电位,等效电路见图3-3-8(b)。此时VD1、VD4导通, VD2和VD3截止,电流沿着u→b→VD1→C1→c→a的路径对C1充电,使认UC1=155v, 极性仍为上端正、下端负。显然,整流滤波器的实际输出电压UI'=UC1+UC2≈2×155v =310v,从而实现了倍压整流。即使在低压输入时也能获得额定的直流高压。

图3-3-8  110V倍压整流电路的工作原理

    当S断开时就选择220V交流电。此时C1、C2相串联,总电容量变成235uF 图3-3-7(b)的工作原理读者可自行分析。



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