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第二部份:RECOM 如何破解您的 AC/DC 转换器

供稿:RECOM Asia Pte. Ltd.

  • 关键词:RECOM,AC/DC转换器
  • 摘要:“黑客” 通常是运用某些聪明而高超的技巧,以实现原本并没有打算达到的目的。然而对于AC/DC转换器这样基本的模块,该如何去破解呢?

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“黑客” 通常是运用某些聪明而高超的技巧,以实现原本并没有打算达到的目的。然而对于AC/DC转换器这样基本的模块,该如何去破解呢?


本文将以板载电源为例,展示五种可行的 AC/DC 转换器“破解技巧”,以拓展更多的应用。


假设您在电动汽车 (EV) 充电上有一个电力监控应用,其中辅助电源需要多个输入选项:三相或单相交流电,或是高压或低压直流电。此外,充电应用需要能够产生双极 (±10V) 输出电压,来为校准电流、电压传感器和放大器供电(图 1)。

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图1:通用交流或直流电源的EV充电系统


您查看制造商的数据表之后,发现具有这种特殊输入和输出电压组合的标准产品并不存在。接下来您可以做些什么?您需要开始破解您的 AC/DC!


技巧 #1:使用降压二极管

低功率 AC/DC 转换器通常不提供可调节输出电压。原因很简单:24 至 5V 隔离 DC/DC 转换器可以用匝数比为 5:1 的变压器,然而一个同等的 230VAC 有效值输入到 5V 输出的 AC/DC 转换器则需要匝数比为 65:1 的变压器。这是因为整流后的交流电压远远高于输出电压。AC/DC 转换器的控制回路经过优化可尽力补偿宽范围的输入电压(通常为 85-264VAC)来输出固定电压。如果输出电压也可调节,最坏情况下的输入/输出电压组合加上高匝数比很容易使转换器变得不稳定。


当然我们可以将正负电压 LDO 线性稳压器放在 ±12V 输出的 AC/DC转换器后端来调节电压至 ±10V,但有没有更便宜简单的方法呢?


硅二极管的正向压降通常是 0.6V-0.7V。因此,三个串联将下降 2.1V(图 2):

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图 2:二极管降压器


二极管的散热需要妥善管理;500mA 输出电流的功耗是 350mW,因此要选用适合的二极管。


类似的解决方案可以应用在单输出 AC/DC 模块,例如在+Vout 后串联两个二极管,将 15V 输出降至 13.6-13.8V 左右就可以给 12V 电池涓流充电(图 3)。这种涓流充电器在紧急照明或火警等应用中很有用,因为这些应用平时使用市电但也需要在没有交流电源的情况下独立运作。

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图3:二极管降压电池涓流充电器


使用降压二极管是一种「简单粗暴」的技巧。由于二极管的功率耗散的关系在效率方面可能招人诟病。但是转用输出开关稳压器不仅效率更高而且还可以让输出电压变得可调,这就是我们接下来要介绍的一个更棒的技巧:


技巧 #2:可调正负输出电压轨

负电压调节器并不便宜而且需要双极输出电源。是否能将单输出 AC/DC 做成双轨电源?下一个 技巧将演示如何实现。


非隔离式开关稳压器和线性稳压器有相同的基本功能,而且提供多种可以引脚兼容的模块(例如 RECOM 的 R-78 系列)。然而,它们的内部结构是非常不同的。如果开关稳压器的输出接地, 其GND 引脚将被迫成为负值。结果得出的是一个正转负稳压器(图 4)。

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图 4:单输出 AC/DC 转换器的可调节双极 (±) 输出轨


图 4 显示一个多输出电源(+12V,可调 +1 至 +10V 和可调 -1 至 +-10V),它仅使用三个低成本主要组件。RAC05-12SK 是一款通用交流输入(85VAC 至 264VAC)的5W 板载电源,虽然尺寸仅有1”x1” 但基本无需外部组件,因为它已内置保险丝和 Class B EMI 滤波器。


可以使用两个 RPX-1.0 非隔离式 SMD 开关稳压器模块生成可调输出轨,其中一个用来设置正转负。RPX-1.0 是一款有集成电感的 DC/DC 电源模块。它可以提供出色的 1A 输出电流,但封装尺寸仅 有5mm x 3mm且高 1.6mm。因此,将 SMD 组件安装在AC/DC转换器底部 PCB 靠近其输出引脚的位置,就可以将整个多路电源内置到 1” x 1” 的板空间中(图 5)。

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图 5:三路输出 AC/DC 的参考布局,SMD 组件安装在AC/DC转换器底部的 PCB 以维持 25.4 x 25.4mm (1” x 1”) 的封装面积。


输出端后使用稳压器的另一个优点是即使负载极不对称,输出电压也能保持固定。双极输出 AC/DC 有两个输出电压,但如何只用一个反馈回路调节两个相反的输出电压?通常有两种选择:一是调节正负输出电压之间的整体差,让输出变压器的公共引脚(中心抽头)浮接(图 6),二是只调节负输出并让正输出浮接,或只调节正输出并让负输出浮接。然而如果输出负载非常不对称,例如一个输出轨满载而另一个只有 10% 的负载,那么正负输出电压也将是不对称的(表 1)。

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图 6:不对称负载的不对称输出(调节 +ve 和 –ve 输出)


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表 1:双极调节方法的比较(±12V 标称输出常见的数值)。稳压输出以蓝色表示。


所有这些调节方法都需要平衡的负载来提供相同的输出电压。如果负载不平衡,它们之间就会有所不同。调节整体输出电压的优点是负轨和正轨的总和保持固定,而如果只是调节正输出或负输出那只能保证该电轨上的变化会较小。所以没有通用的解决方法两全其美。

如果使用开关稳压器对输出进行后调节,如图 4 所示,两个输出电压在所有负载组合中都保持稳定,甚至在空载/满载条件下也是如此。


在输出端使用开关稳压器还有另一个优点:它们提供恒定功率。输出电压越低,输出电流越大。如果在图 4 的示例中,稳压输出调整至 ±3.3V,那么只要总负载小于 5W,单个电源轨的最大输出电流可高达 1.5A。这远高于 AC/DC 的标称 416mA 输出电流。这点很有用因为大多数的多轨应用的其中一个电轨需要比其他更多的功率(主负载 + 辅助负载),但使用开关稳压器时就没问题。例如在图 4 中,在所有输出电压都经过严格调节的情况下 +12V @ 0.1A、+3.3V @ 1A 和 -3.3V @ -0.15A是可能的。


到目前为止,我们只考虑过如何延伸应用 AC/DC 模块的输出,但如果我们想使用替代电源的话呢? 这就来到了技巧 #3。


技巧 #3:AC/DC 输出上的外部直流电源

在一些特定的现场应用中需要同时使用 AC 和 DC 电池电源,或者其中一个。如图 7 所示,如果有一个外部直流电源连接到关闭的 AC/DC 转换器的输出端,输出二极管 Dout 将阻止外部电流回到变压器的输出绕组。


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图 7:常见的AC/DC 转换器输出级。


然而分流稳压器 IC1 仍在电路之中。如果外部电压超过并联稳压器的设定点,它将导通并开始通过光耦合器 LED 馈送电流。


由于 AC/DC 转换器并未启动,因此没有机制可以控制光耦合器的电流,这种情况下光电 LED 很容易烧坏。因此并不建议在 AC/DC 转换器的输出端直接连接外部电压。

解决方案可以考虑使用两个 OR-ing 二极管来引导较高的电源电压用于后端应用,而不让两个电源相互影响(图 8)。

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图 8:交流或外部直流电源使用 OR-ing 二极管


虽然这种技巧很简单但是有两个很大的缺点。第一个是输出电压总是比电源电压低一个二极管的压降。第二个是随着电流负载的增加,二极管的功耗会变得很大(在图 8 所示的示例中是 3.5W)。这意味着需要较大功率且昂贵的二极管,同时可能还要额外的散热。此外,二极管 D2 浪费的功率也会损害电池寿命。


更好的方法是使用一个理想二极管 IC,例如德州仪器 (Texas Instruments) 的 LM71300,因为它集成了 FET可以实现非常紧凑的解决方案(图 9)。这个解决方案还有另一个优势:欠压锁定 (UVLO) 的功能可以保护电池免受深度放电的影响,同时 dVdt 控制能保护应用免受电池的高浪涌电流的影响。此外,Imon 输出可以用来监控两个电源的负载电流。

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图 9:交流或直流电池供电设备的理想二极管 IC 控制器


技巧 #4:交流相位冗余

到目前为止的技巧都关注在输出端。这是合理的,因为交流电源是一种危险电压应该谨慎对待。 然而回到我们在开头提到的 EV 充电器规格,它应该可以与单相、多相或高压直流电源一起使用,因此以下的技巧着重在输入端。


图 10 所示的半波整流三相输入电路有大约 1.17 x Vphase的整流直流电压,或者在标称 230V 单相电压时大约为 270V。这对标准的 230V±10% 输入 AC/DC 转换器来说非常高,却可以被能在高达 277VAC(115VAC 电源的相间电压)下运行的 AC/DC 转换器所接受。图 10 所示的电路使用输入保险丝以在二极管发生故障时保护三相电源,同时使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 来吸收可能损坏转换器的高电压浪涌。MOV 是非强制性的因为转换器本身有保险丝,但根据当地的接线法规可能需要使用。输入二极管必须具有适当的反向电压额定值。

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图 10:使用半波三相整流器的相位冗余


如果三相中的任何一相掉线转换器仍然能运作,因此,对于三相监控应用程序的供电以及在任何一相故障的情况下发出警报来说,这个技巧特别有用。


RECOM /277 系列的交流输入电压范围为 85-305VAC,所以只要有中性线连接,任何 /277 类型的转换器都适用。


如果没有中性线,那么两相之间的电压(230V 单相电压的是√3 x Vrms或 400V 左右)对许多 AC/DC 转换器来说太高了,除非它们是专为此目的而设计的,例如 /480系列的交流输入电压范围为85-528VAC或直流输入电压范围为120V-745VDC。


如引言中所述,应谨慎使用此技巧因为有危险电压。此外,安全法规可能要求额外的保护措施,例如更宽的爬电距离或电气间隙或者增强绝缘耐压,这将无法允许使用此类技巧。例如,任何硬接线到主电源的电路都需要符合 III 或 IV 类过电压的安全要求。


这让我们谈到最后的技巧:将 AC/DC 的输出接地以确保安全。


技巧 #5:输出接地

由于 AC/DC 转换器是隔离的,因此低压直流输出与主电源浮接(电气隔离),可用来提供正电源或负电源。例如,通信电源总线电压为 -48VDC,将 +Vout 引脚连接到 0V 并将 –Vout 引脚用作电源轨之后就可以由任何 48V 或 ±24V 输出的 AC/DC 供电。


对一些应用来说,将其中一个输出引脚接地是有利的或是非做不可的。乍看之下这似乎是一件很简单的事,很像前面提到的通信电源应用。但是 AC/DC 电源的规定并不仅仅有关安全性,还必须考虑到 EMC 的因素。任何流过绝缘电容的循环电流或感应电流都会引起干扰,导致最终应用无法通过 EMC 测试。此外,将输出接地几乎可以保证引起这种非预期的电流回路。例如,对Class B 设备来说即使是几十微安的回路电流也会影响测试结果而不能达标。


若要输出接地并同样符合 EMC 的要求,技巧是安装带有共模扼流圈的外部线路滤波器(图 11)。

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图 11. 输出接地时推荐的输入线路滤波器


两个 Y 电容形成了一条低阻抗路径让循环干扰电流回到地,而共模扼流圈 (CMC) 可阻止同时在 VAC(L) 和 VAC(N) 引脚上发生的共模干扰,导致AC/DC 模块的输入滤波器侦测不到这些。最后,输入端的 X电容结合 CMC 的漏电感有助于衰减差模噪声。Cx 两端的高阻值电阻是可选的,可在电源关断时让电容器放电(一些安全标准有此要求)。如有特殊要求RECOM 和许多供应商一样也可以内置交流线滤波器。

发布时间:2022年4月28日 10:12  人气:   审核编辑(王静 )
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