變換器型開(kāi)關(guān)電源負(fù)載效應(yīng)簡(jiǎn)析

1 前言

由市電供電的變換器型開(kāi)關(guān)電源具有隔離功能。這類(lèi)電源使用多了，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：盡管它們電路結(jié)構(gòu)不同，性能差異也大，然而它們的負(fù)載效應(yīng)總是劣于源電壓效應(yīng)。本文對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)析。

2 電壓控制型變換器式開(kāi)關(guān)電源

2.1 整體電路結(jié)構(gòu)框圖

通常的電壓控制型變換器式開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。市電經(jīng)整流濾波環(huán)節(jié)進(jìn)入變換器后，再經(jīng)高頻整流濾波器至輸出端負(fù)載。負(fù)載端電壓經(jīng)反饋誤差放大器放大，回饋到PWM環(huán)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)變換器的輸出脈寬，以穩(wěn)定負(fù)載端電壓。

2.2 負(fù)載調(diào)整率估算

2.2.1 梗概計(jì)算

由市電供電的變換器型開(kāi)關(guān)電源，其源電壓效應(yīng)通常都優(yōu)于負(fù)載效應(yīng)。負(fù)載調(diào)整率可以用式(1)表示 。

(1)

式中：△Uoi—加額定負(fù)載電流時(shí)在輸出端產(chǎn)生的電壓降落(V);

Uo—開(kāi)關(guān)電源空載時(shí)的額定輸出電壓(V);

K—誤差放大器的電壓放大倍數(shù)。

2.2.2 開(kāi)關(guān)電源負(fù)載波動(dòng)時(shí)整流濾波電壓的波動(dòng)

從開(kāi)關(guān)電源負(fù)載電流由零到額定負(fù)載時(shí)，工頻整流濾波直流電壓E隨之衰減，衰減值

△E的百分比與濾波電容容量和負(fù)載大小有關(guān)，可參照橋式整流輸出電壓E/Um與ωCRL關(guān)系曲線予以估算(見(jiàn)圖2)。

圖中： E —整流濾波電壓平均值(V),E=Y1×1.4142Ui;

Y1—左邊縱坐標(biāo)數(shù)值;

Um—整流電壓峰值(V), Um=1.4142Ui;

Ui—電網(wǎng)電壓(V);

Y2—右邊縱坐標(biāo)數(shù)值;

Rn—包括電網(wǎng)和整流管正向壓降等在內(nèi)的整流濾波電路的總內(nèi)阻(Ω);

Rl—實(shí)際負(fù)載電阻(Ω);

ω—電網(wǎng)角頻率，ω=2πf(弧度);

f——電網(wǎng)頻率，(Hz);

C—濾波電容容量(F)。

不難看出，總內(nèi)阻Rn越大，實(shí)際輸出的整流濾波電壓E的衰減比例也越大,曲線也就越往下面移。

小功率變換器式開(kāi)關(guān)電源在額定負(fù)載時(shí)，(Rn/Rl) ≈0.005;空載時(shí)(Rn/Rl) ≈0.002。查圖2相應(yīng)曲線，可得兩種狀態(tài)的E值之差△E≈E(2.0～3.0)%。

2.2.3 變換器中變壓器原邊電阻的影響

考慮到開(kāi)關(guān)電源的效率和體積，變換器中的變壓器盡量選擇小型化，繞組漆包線也要相應(yīng)細(xì)一些，因此繞組電阻也較大;當(dāng)流過(guò)較大電流時(shí)，繞組就會(huì)產(chǎn)生較大壓降(銅損)，影響負(fù)載調(diào)整率。原邊繞組的電阻值用Rw1表示。

2.2.4 變換器中功率MOSFET漏-源極間的電壓降波動(dòng)

小功率變換器中功率MOSFET的導(dǎo)通電阻RON較大，可達(dá)10Ω以上，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源負(fù)載波動(dòng)時(shí)，必然引發(fā)功率MOSFET的壓降波動(dòng)，這同樣影響著負(fù)載調(diào)整率。

2.2.5 變壓器副邊繞組電阻和高頻整流管壓降隨負(fù)載波動(dòng)而波動(dòng)

這是不言而喻的，副邊繞組電阻用Rw3表示，高頻整流管壓降用VD表示。[!--empirenews.page--]

2.2.6 輸出電壓的綜合變化

將以上對(duì)負(fù)載調(diào)整率有明顯影響的四項(xiàng)加起來(lái)，可列出通常變換器型開(kāi)關(guān)電源開(kāi)環(huán)狀態(tài)下的輸出電壓變化

(2)

式中：△E—負(fù)載電流由零到額定負(fù)載時(shí)，工頻整流濾波直流電壓E衰減百分比，可按橋式整流電容濾波 輸出電壓E與ωRLC關(guān)系曲線估量(見(jiàn)圖2);

N2/N1—變壓器T1原邊與副邊繞組之變比;

IO—輸出額定電流(A);

RON——-功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻(Ω);

RT1——-變壓器的內(nèi)阻(Ω);

VD——-輸出端整流管的壓降(V)。

變壓器的內(nèi)阻

(3)

式中： RW1—繞組W1反射到W3的電阻(Ω);

RW3—繞組W3的電阻(Ω)。

將式(3)分別帶入式(2)和式(1)，整理后得電流調(diào)整率

(4)

式中 K=10～100。按(4)式估算，可得出電流調(diào)整率Si至少大于1%，有時(shí)甚至可達(dá)10%以上。

2.3 電壓調(diào)整率估算

電壓調(diào)整率通常按負(fù)載不變情況下，源電壓波動(dòng)10%來(lái)測(cè)試。由于負(fù)載不變，源電壓波動(dòng)多少，輸出電壓也就同比例變化。設(shè)Ui變化10%時(shí)，輸出直流電壓Uo也會(huì)變化10%。

電壓調(diào)整率可用式(5)表示。

(5)

若按K=50計(jì)算，得Su≈0.2%。

2.4 負(fù)載調(diào)整率與電壓調(diào)整率的比較

計(jì)算與實(shí)踐均表明，式(4)中的分子項(xiàng)目眾多，其數(shù)值遠(yuǎn)大于(5)式中的分子，故有Si>>Su ,即負(fù)載調(diào)整率大大劣于電壓調(diào)整率。在由市電供電的變換器型開(kāi)關(guān)電源中，都存在這樣的規(guī)律。

3 采用VIPer22A的電流控制型變換器的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源

3.1 整體電路結(jié)構(gòu)框圖

采用VIPer22A的電流控制型變換器式開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。市電經(jīng)整流濾波環(huán)節(jié)進(jìn)入變壓器和VIPer22A模塊后，將直流電變換成脈寬可調(diào)的高頻電，再經(jīng)高頻整流濾波器至輸出端負(fù)載。負(fù)載端電壓經(jīng)反饋誤差放大器放大，回饋到VIPer22A反饋端，進(jìn)而調(diào)節(jié)變換器的輸出脈寬，以穩(wěn)定負(fù)載端電壓。

圖3 VIPer22A電流控制型功率變換器式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)框圖

3.2 電壓調(diào)整率極優(yōu)

當(dāng)市電AC220V出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，變壓器原邊繞組中的電流幅值也會(huì)相應(yīng)變化，立即顯現(xiàn)到芯片內(nèi)取樣電阻RS上，過(guò)電流比較器即調(diào)節(jié)PWM脈寬，相應(yīng)調(diào)節(jié)輸出電壓。該過(guò)程在整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)程中，起著絕對(duì)主導(dǎo)作用。與此同時(shí)，外環(huán)的誤差放大器也參與運(yùn)作，使圖4所示的VIPer22A芯片F(xiàn)B端(3腳)輸入電流變化，調(diào)節(jié)功率MOSFET的柵極脈寬反向變化，從而將輸出電壓最大限度地恢復(fù)到外電壓波動(dòng)前的數(shù)值上。即源電壓的波動(dòng)，得到了增益很大的一階電路電流控制模式的及時(shí)應(yīng)對(duì)，就將源電壓效應(yīng)提升到優(yōu)于0.01%的程度。[!--empirenews.page--]

當(dāng)然，圖3外環(huán)的電壓控制工作模式也參與應(yīng)對(duì)市電的波動(dòng)，但作用遠(yuǎn)小于電流控制模式，響應(yīng)速度也較低。

3.3 負(fù)載調(diào)整率

3.3.1 VIPer22A電流控制，將負(fù)載波動(dòng)所引起的E值波動(dòng)影響平抑到可以忽略不計(jì)

雖然負(fù)載波動(dòng)時(shí)，市電整流濾波后所得的直流電壓E也會(huì)相應(yīng)波動(dòng)，但在VIPer22A內(nèi)部有閉環(huán)的電流控制，不論是市電波動(dòng)還是整流濾波后的直流電壓波動(dòng)，都會(huì)引發(fā)VIPer22A內(nèi)部功率MOSFET的漏極電流的波動(dòng)，采樣電阻RS上的壓降隨之改變，并及時(shí)調(diào)節(jié)PWM脈寬，應(yīng)對(duì)整流濾波后的直流電壓波動(dòng)，確保輸出電壓的穩(wěn)定。這時(shí)的調(diào)節(jié)精度相當(dāng)于VIPer22A的電壓調(diào)整率，即0.01%。這樣高的調(diào)節(jié)精度，近似于整流濾波后的直流電壓沒(méi)有波動(dòng)。

3.3.2 VIPer22A電流控制將負(fù)載波動(dòng)對(duì)高頻變壓器原邊電流影響平抑到可以忽略不計(jì)

當(dāng)市電電壓不變，負(fù)載波動(dòng)時(shí)，W1繞組電流相應(yīng)波動(dòng)，圖2中過(guò)電流比較器的同相輸入端電壓也相應(yīng)變化，并及時(shí)調(diào)節(jié)脈寬，同樣保有優(yōu)于0.01%穩(wěn)定精度。

3.3.3 VIPer22A電流控制將負(fù)載波動(dòng)對(duì)功率MOSFET上的電壓影響降至可以忽略不計(jì)

功率MOSFET漏-源極間的導(dǎo)通電阻為15Ω，負(fù)載波動(dòng)所引起的功率MOSFET漏-源極間的電壓降波動(dòng)，必然引發(fā)取樣電阻RS上的電流和電壓波動(dòng)。VIPer22A內(nèi)部的電流控制將這種波動(dòng)反饋到過(guò)電流比較器的反相輸入端，內(nèi)環(huán)控制PWM,將影響降至最低，確保輸出電壓的穩(wěn)定，調(diào)整精度也是優(yōu)于0.01%。即VIPer22A內(nèi)環(huán)的電流控制將變壓器副邊以前的所有電流波動(dòng)所產(chǎn)生的影響降至微乎其微。

3.3.4 低負(fù)荷條件下的自動(dòng)間歇工作模式進(jìn)一步優(yōu)化了負(fù)載調(diào)整率

VIPer22A芯片還具有低負(fù)荷條件下的自動(dòng)間歇工作模式，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源空載或是流過(guò)功率MOSFET的漏極電流小于或等于極限值的12%—約為85mA(峰值)時(shí)，芯片N1會(huì)自動(dòng)進(jìn)入間歇工作狀態(tài)，既保證低負(fù)載時(shí)的正常運(yùn)行，又可以降低整機(jī)功耗，抑制了輕載時(shí)的輸出電壓上升，其負(fù)載調(diào)整率得到進(jìn)一步優(yōu)化，顯著地勝過(guò)電壓控制型變換器式開(kāi)關(guān)電源。

3.3.4 以上4項(xiàng)措施均封裝在器件內(nèi)部，將VIPer22A變換器型開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載調(diào)整率大大優(yōu)化

(4)式中分子的第一大項(xiàng)重列于式(6)，其數(shù)值很大，在分子中占據(jù)大的比例。

(6)

但在VIPer22A器件中，這個(gè)量通過(guò)內(nèi)環(huán)的高精度調(diào)節(jié)，使其對(duì)負(fù)載調(diào)整率的總體影響降到很低，大大優(yōu)于(4)式分子的后兩項(xiàng)，即在估算負(fù)載調(diào)整率時(shí)，(6)式所得參數(shù)，在現(xiàn)在條件下可以不予考慮。故得出VIPer22A的變換器型開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載調(diào)整率的近似公式為

將實(shí)際數(shù)值帶入(7)式，可得VIPer22A電源的負(fù)載調(diào)整率明顯優(yōu)于1%，仍大大劣于它自身的電壓調(diào)整率0.01%。但卻大大優(yōu)于電壓型調(diào)節(jié)的變換器式開(kāi)關(guān)電源。

3.3.5 外環(huán)的電壓控制模式也參與穩(wěn)定負(fù)載變化所引起的輸出電壓波動(dòng)

與此同時(shí)，負(fù)載波動(dòng)時(shí)，W3繞組及其輸出端電壓也有波動(dòng)，所以處于芯片外環(huán)的電壓控制模式投入運(yùn)行應(yīng)對(duì)，這像一般電壓控制型開(kāi)關(guān)電源一樣，也用以保持輸出電壓穩(wěn)定，但精度與響應(yīng)速度都劣于內(nèi)環(huán)。[!--empirenews.page--]

3.3.6 VIPer22A負(fù)載效應(yīng)優(yōu)于電壓控制型開(kāi)關(guān)電源，但仍劣于自身的源電壓效應(yīng)

市電供電的變換器型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，其源電壓效應(yīng)優(yōu)于負(fù)載效應(yīng)是一規(guī)律。VIPer22A電源負(fù)載效應(yīng)雖優(yōu)于普通變換器電壓控制型開(kāi)關(guān)電源，但也劣于自身的源電壓效應(yīng)，未超越這一規(guī)律。

4 結(jié)論

從以上簡(jiǎn)析可以看出，在變換器型開(kāi)關(guān)電源中，與電壓控制型相比VIPer22A電流控制型開(kāi)關(guān)電源，其電壓調(diào)整率獲得了數(shù)量級(jí)的優(yōu)化。負(fù)載調(diào)整率也有顯著改善，但仍大大劣于自身的電壓調(diào)整率。在現(xiàn)有條件下，在不犧牲其它技術(shù)指標(biāo)的情況下，要進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)載調(diào)整率難度很大。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)電導(dǎo)磁材料和元器件性能不斷提高，相信進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)載調(diào)整率也是意料中的事。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐德高 金 剛 《脈寬調(diào)制變換器型穩(wěn)壓電壓》 科學(xué)出版社 1983年

[2] 張乃國(guó) 《電子電源技術(shù)與應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出版社 2010年6月 第二版

[3] VIPer22ADIP/VIPer22AS LOW POWER OFF LINE SMPS PRIMARY SWITCHER