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低成本脱机高压电源开关的稳压器

  今天,在家用电器和其它由交流电供给负载的应用技术中,传统的凸轮开关、限位开关和其它电气机械器件正在不断地被淘汰,取而代之的是电子控制器。一般情况下,这种控制器是基于低成本微控制器,需要由5V的电源供给。目前在市场上,低电流5V电源稳压器的产品很多,但是,大多数控制器却要求先将交流电压转换成电压较低的直流电压,然后再把直流电压调节至5V。
  
  ST最近推出的VB409稳压器,其设计可以和整流后的110/230Vrms交流电直接相连,供给输出电压稳定在5V±5%,内部输出电流限制在80mA。目前,能够和整流后的交流电直接相连的其它品牌的高压线性稳压器产品很多,但是,基于导通角限制技术的VB409通过采用一种控制器技术,可以大幅度提高器件效率和电源能力。VB409输出电流是标准高压线性稳压器的3倍,因此特别适用于低成本、低功耗的应用领域,如洗衣机、中央供热、功率计量等不需要电流绝缘的类似应用技术。VB409效率高,内部功耗低,封装可以采用表面贴装技术的PowerSO10(TM),也可以采用通孔安装技术的PENTAWATTHV(高压版)。
  
  制造工艺和导通角控制技术是VB409的两个主要特色。这个器件采用ST公司开发的VIPowerM1的智能电源专利技术制造,除此之外,ST还有多“垂直智能电源”技术,在这项技术中,一个高强度双极或DMOS垂直电源级(电流像在分立功率晶体管里一样直流体硅片)配合芯片上模拟和数字电路,提供控制、诊断和保护功能。
  
  此项技术早在上个世纪90年代就开始大规模投入生产了,在汽车领域得到广泛应用。汽车与家用电器相比,应用环境更加恶劣,从而证明了该技术的可靠性,除本身内在的可靠性外,VB409对外围元件的数量需求也减少了,从而进一步提高了系统的整体可靠性。
  
  VB409的第二个特色是它所采用的把整流后的交流电输入电压转变成5V输出电压的技法。内部功耗决定了在没有散热器的情况下能够供给的最大电流,或者供给一个规定的输出电流所要求的散热器的大小(相应的成本),因此,这是人们在设计各种稳压器时要关注的一个重要问题。在脱机稳压器技术中,输入是交流电源电压,而输出电压却很低,只有几伏,输入输出之间的巨大差压,意味着效率特别重要。
  
  VB409有两个分开的级,分别和一个用于存储电能的外电容器相连。第一级是一个预稳压器,它负责把整流后的高压电源降至低压,同时向电容器充电。电容器在每个交流电源周期中存储电能,然后给第二级的低压线性稳压器供电。
  
  预稳压器采用一个双极“Trilinton”无源器件和三个比较器。第一个比较器负责测量集成化电阻器上的电压,执行内部电流限制功能;第二个比较器负责整流后的电源输入的分压(由外部电阻分压器决定)和预设的基准电压对比,第三个负责检测电容器上的电压。当电阻分压器的中间点上的电压低于门限值(如:导通角小于切断值)时,内部限制电流给电容器充电。电容器上电压达到内部最大固定值后,第三个比较器立即动作,把电流限制至负载要求。当导通角限制达到后,输入电压级被切换成高阻抗状态,停止从电源吸收电能。因VB409只在每个正周期的低压部分时,从电源吸取电能,所以,与连续从电源上汲取电能的拓扑技术相比,第一级的功耗降低幅度很大图2。
  
  当然,为了保证VB409的正确操作,外部电容器在充电期间被充电量必须充足,能够在脱机时向第二级供给。为确保第二级在输出电流最大值时的功能性,选择电容器值时,电容器上电压必须大于额定最小值,即输出电压与第二级上的最小电压降之和。重要参数包括外部电容器的电容和电阻分压器的变比,这种拓扑结构允许设计人员利用外电容器的容量和成本,解决功耗问题(散热器的体积和成本)。
  
  外部电容器的预稳压器最大值为16V(典型值),这一预稳压还能向对稳压没有过高要求的第二负载(如继电器)供给,由此可见,VB409还可以叫做双输出端稳压器。
  
  在线性稳压器中,对于一个规定的输出电压,内部功耗是平均输入电压的函数:Pdiss = Iout(Vin -Vout),其中,Vin表示平均输入电压,在交流电源的一个完整周期上的平均值。对于VB409来说,只要超过预设的导通角时(对于电流周期的多数部分),输入电流微乎其微,因此,功耗也相应地大幅度降低。
  
  例如,当平均输入电压为175V(相当于230V欧洲电网电源),输出电流25mA时,使用标准稳压器时,内部功耗应为(175-5)x0.025约等于4.4W。使用一个VB409、一个外部100uF电容器和能够保证正确操作的电阻分压器变比时,内部功耗测量结果仅为0.9W,比正常值的四分之一还要低!
  
  电感器与输出端管脚串联,如图3所示,可进一步降低VB409的功耗。
  
  串联电感从电源上去掉电源开关耦合,允许开关在接通状态下在饱和区域工作。通过使用这种配置,与没有安装电感器的标准拓扑结构相比,功耗降低25%。二极管D为存储在电感器内的电能创建一个放电通道,限制在关断状态时器件上出现过压。 返回上页
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