一種基于ICE3AR2280JZ和CoolMOS的三相開關電源設計

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量功能以外，為了適應智能電網(wǎng)和新能源的使用它還具有用電信息存儲、雙向多種費率計量功能、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，提高其運行能效已成為當前智能電表的重要環(huán)節(jié)。開關電源不同于智能電表中的其他器件，規(guī)?；?、標準化生產(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電源已經(jīng)獲得重視，然而國內(nèi)在開關電源的發(fā)展上，還存在基礎理論欠缺、產(chǎn)業(yè)水平跟不上需求、生產(chǎn)工藝不成熟等諸多問題。另外開關電源引發(fā)的炸表現(xiàn)象一直也是困擾和阻礙其廣泛應用的重要原因之一。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)逐步使用了開關電源。主要的原因是電表功能加強后，供電功率要求增加，工頻變壓器很難勝任。同時，考慮到安裝及運輸成本，開關電源會有具備很大優(yōu)勢。

三相智能電表的內(nèi)部電源結(jié)構(gòu)：

智能電表中開關電源的要求：

本文僅針對幾個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：

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

以一個具體規(guī)格為例進行說明：

規(guī)格：

由于多路輸出和小功率輸出的特點，電源拓撲選擇反激較為合適。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，導通電阻為2.2ohm，封裝為DIP7.該芯片內(nèi)部同時集成了800V的高壓啟動單元。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28W.同時，芯片還具有過流、過壓、輸入欠壓、過溫等保護功能和提高輕載效率的突發(fā)模式。鑒于小功率應用，變壓器尺寸及環(huán)路補償?shù)纫蛩?，通常建議系統(tǒng)在全負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)過前級的共模濾波器L1，C20，C21和兩個整流橋BR1和BR2;壓敏電阻RV1，RV2，RV3及CX11，CX12，CX13構(gòu)成過壓保護線路;功率電阻R1，R2，R3用于抑制浪涌電流。為了簡化設計，濾波電感的位置被放置于整流橋后以節(jié)省成本?？紤]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，采用兩個整流橋輸出并聯(lián)使用。整流后，由于最大峰值電壓可達780V，因此采用兩個450V電解電容進行串聯(lián)使用，同時考慮電壓平衡，R13，R14，R15，R16并接在電容兩側(cè)。

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

啟動時，電流通過R19，R20，R21，R22流過齊納二極管D10進入CoolSET的漏極相連的高壓啟動單元。CoolSET內(nèi)部的高壓啟動單位為800V，由于外部的TVS二極管的存在，超高電壓會被鉗位于一個特定的電壓，以保護CoolSET.但CoolSET開通時，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CoolSET關斷時，電感電流首先對CoolSET內(nèi)部的MOSFET的漏源電容進行充電，直到Vds電壓達到外部TVS二極管的鉗位電壓時，電流開始對外部MOSFET的門極源極電容進行放電，直到位于GS間的齊納二極管的正向電壓超過0.7V，外部MOSFET關斷，同時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將被徹底關斷;對于超過外部TVS管額定電壓的輸入，此時CoolSET電壓應力即為外部TVS的鉗位電壓值。例如，采用了550VTVS二極管和一個800V的外部MOSFET，那么反激的耐壓能力為：550V+800V=1350V.作為設計，考慮惡劣情況，可以粗略估計從內(nèi)部MOSFET到外部MOSFET關斷的時間即為流過外部TVS二極管的時間，用最大負載時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，采用二級濾波器。其中輸出1為主5V，與12V共地，另外一個5V的參考地與輸出1，2隔離。考慮到多路輸出負載交叉調(diào)整問題，12V的參考疊加在5V輸出。這樣對于12V輸出，調(diào)整精度有所提高。因為規(guī)避了5V輸出上二極管正向壓降隨電流變化的影響?；趧討B(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輸出大動態(tài)負載跳變時造成12V輸出不穩(wěn)定的情況。

反饋電路由分壓網(wǎng)絡、補償網(wǎng)絡、及光耦構(gòu)成。補償部分由C10，C11和R10構(gòu)成，其中R10與C10，C11分別構(gòu)成兩個極點和零點對電流型反激進行補償。

設計考慮：

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