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解析:增加AC-DC電源掉電保持時(shí)間的簡單方法

發(fā)布時(shí)間:2014-09-24 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】在一些特殊的應(yīng)用場合,常規(guī)AC-DC開關(guān)電源的掉電保持時(shí)間無法滿足要求,而超長掉電保持時(shí)間的開關(guān)電源在市場上十分少見。為滿足這些特殊應(yīng)用場合的需求,本文從理論上分析了決定掉電保持時(shí)間的因素,并提出了一種簡單的通過外圍電路來增加掉電保持時(shí)間的方法。ACDC開關(guān)電源有一項(xiàng)重要的技術(shù)參數(shù)——掉電保持時(shí)間,指從AC掉電到輸出電壓下降到精度范圍(通常是-2%)之外的時(shí)間差⊿t。通俗地講,就是開關(guān)電源在沒有輸入后,輸出還能撐多久。

很多情況下,系統(tǒng)在檢測到AC掉電后,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、傳輸,對執(zhí)行器的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置等等。因此,在AC掉電后,開關(guān)電源還需要能持續(xù)給系統(tǒng)提供電源一段時(shí)間,以保證系統(tǒng)可靠關(guān)閉。另外,在有UPS的系統(tǒng)中,從市電切換到UPS供電的過程中,也需要開關(guān)電源能維持正常輸出。

解析:增加AC-DC電源掉電保持時(shí)間的簡單方法
圖1:掉電保持時(shí)間示意圖
 

1、掉電保持時(shí)間的決定因素

常規(guī)ACDC開關(guān)電源原理框圖如圖2所示,AC輸入經(jīng)過整流濾波后,變成一個(gè)直流電壓(有一定的紋波電壓),再通過DCDC變換器轉(zhuǎn)換成我們所需要的電壓輸出。控制電路可根據(jù)輸入電壓和輸出負(fù)載來調(diào)整占空比(PWM模式)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。在AC輸入掉電后,由輸入濾波電容存儲的能量給輸出供電,在這個(gè)過程中,濾波電容電壓逐漸下降,控制電路通過調(diào)整占空比依然可以實(shí)現(xiàn)額定的輸出電壓,直到電容電壓下降到控制電路能調(diào)整的范圍之外時(shí),輸出電壓開始下降。

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圖2:AC/DC開關(guān)電源原理框圖

我們通過舉例來說明決定掉電保持時(shí)間的因素。假設(shè)一款Vo=5V、Po=20W、效率為η=0.78的產(chǎn)品,DC-DC部分可正常工作的最低電壓Vin_min=100V,電源內(nèi)部輸入濾波電容Cin=47uF。假設(shè)標(biāo)稱220Vac輸入整流濾波后的電壓為直流電壓(實(shí)際有一定紋波),其值Vin_nor=308V,根據(jù)能量守恒有下式:
0.5*Cin*(Vin_mor2-Vin_min2)=⊿t*Po/η……(1)
代入數(shù)值可得:⊿t=77.9ms。從上式可以看到,⊿t與輸入電容、AC輸入電壓、產(chǎn)品效率成正比,而與輸出功率、DC-DC部分最低工作電壓成反比。

在實(shí)際的工程環(huán)境中,輸入電壓是固定的。對某一款具體的AC-DC電源產(chǎn)品來說,內(nèi)部輸入濾波電容Cin、DC-DC部分最低工作電壓Vin_min、效率η都已無法改變,所以,電源本身的掉電保持時(shí)間無法改變。通過外圍調(diào)整,也無法改變產(chǎn)品的Vin_min和η,唯一能調(diào)整的是在電源前端再接一級整流濾波,外接的濾波電容與電源內(nèi)部的輸入濾波電容是并聯(lián)關(guān)系,等效增加了Cin,增加了掉電保持時(shí)間。

如果電源前端加的濾波電容取100uF/400V,則掉電保持時(shí)間在之前的基礎(chǔ)上增加165.7ms。如果電源工作在半載條件,則掉電保持時(shí)間可以再增加一倍,如表1所示。

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表1:掉電保持時(shí)間與輸入電容、負(fù)載關(guān)系圖


2、輸出電容對掉電保持時(shí)間的影響

在上述條件下,我們再計(jì)算一下通過增加輸出電容Co來延長掉電保持時(shí)間的效果。假設(shè):輸出電壓精度是±2%,則輸出電壓下限Vo1=4.9V、Co=40000uF,則有:
0.5*Co*(Vo2-Vo12)=⊿t1*Po……(2)
代入數(shù)值可得:⊿t1=1ms。
我們發(fā)現(xiàn),輸出40000uF的電容延長掉電保持時(shí)間僅有1ms!由此可見增加輸出電容對掉電保持時(shí)間的影響微乎其微。

3、推薦外圍電路

如圖3所示,外圍電路的輸入端接市電,輸出可等效為直流電源,接在ACDC開關(guān)電源的L、N上。C1要根據(jù)實(shí)際負(fù)載、輸入電壓以及所需要的保持時(shí)間來確定,沒有明確的推薦值。由于增加了C1,開機(jī)沖擊電流會增大,R1可以用來減小該沖擊電流,可以選擇3W的繞線電阻,阻值大致在2~7.5歐姆之間。對于D1,可以選1000V、電流在1.5A及以上的整流橋,另外整流橋能承受的沖擊電流(規(guī)格書中有說明)應(yīng)大于實(shí)際電路中的沖擊電流。

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圖3:外圍推薦電路


4、試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證理論分析和計(jì)算的正確性,選取MORNSUN的LH25-10B05來進(jìn)行測試。在輸入電壓220Vac,負(fù)載4A的條件下,LH25-10B05的掉電保持時(shí)間為76.8ms,波形如圖5所示;按推薦電路外接100uF/400V輸入濾波電容后,電源的掉電保持時(shí)間增加到249ms,波形如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合。

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