用于智能電表的非隔離式AC-DC降壓轉換器

用于智能電表的非隔離式AC/DC降壓轉換器諸如智能電表或者功率監(jiān)控器的離線設備都有一些要求10W以下非隔離DC電源的電子元件。到目前為止，通過一個AC電源提供低功耗DC電源的唯一實用方法仍然是在整流器后面使用一個效率極低、未經調節(jié)的電阻/電容分壓器，或者一個難以設計的反向DC/DC轉換器。MOSFET技術的一些進展以及創(chuàng)新的磁滯降壓控制器柵極驅動電路帶來了一種超低成本DC電源。圖1顯示了完整的轉換器。整流器電路使用一個標準、快速開關整流器二極管橋接（D1）和一個LC濾波器（L1和C2），我們將對其余組件進行更加詳細的介紹。120toRMSTPS64203Dev5VeC*t750mAC50.1uF400VLI47011H200kQWN374Ml2.2|1F'ClyF400VBATM]FCX65flATAGNDSWVIN120toRMSTPS64203Dev5VeC*t750mAC50.1uF400VLI47011H200kQWN374Ml2.2|1F'ClyF400VBATM]FCX65flATAGNDSWVINf6ISENSEFOOZP40CML2

470mHD5ESIG圖1AC/DC降壓轉換器電路基本降壓轉換器TPS64203是一款磁滯降壓轉換器，專為驅動高端pFET而設計，擁有最小導通和斷開開關時間要求。傳統的磁滯轉換器有隨負載電流變化的開關頻率，與其不同的是，最小導通和斷開時間在轉換器以高輸出功耗電平在連續(xù)導通模式下運行時，從根本上控制開關頻率。TPS6420X系列中的其他一些轉換器可主動避免在聲頻范圍內進行開關操作，從而有效地獲得最大導通和斷開時間。TPS6420X系列起初是為電池供電型應用而設計，擁有1.8V?6.5V的輸入電壓范圍，以及非常低的靜態(tài)電流（最大為35A。在啟動期間，TPS64203被齊納二極管D2以及高壓電阻R2和R3偏置。5V電壓上升以后，肖特基二極管D4允許5V輸出驅動控制器。功率FETQ4必須具有足夠高的VDS電壓額定值，以使其不會被輸入電壓損壞，同時還要有足夠高的電流額定值以處理Ipmos（RMS）=Iout（max）X口_^、。它的封裝還必須能夠驅散P°nd=（IoUT（max）XDmax）2XRDS（on）。一般來說，高壓P通道FET有一個過大的柵極電容或者導通/斷開時間，過高的漏一源電阻（RDS（on）），過大的閾值電壓（VTH），以和/或制造圖1所示實際電路時的過高成本（即足夠的成本效益）。由于230VRMS+10%容差的高壓線來自350VPKAC線，因此FET、濾波器和輸入電容需要根據400V設定額定值。FQD2P40相對較新，即400VP通道MOSFET。利用10V柵極驅動的5.0RDS（on）以及小于13nC的總選通電極充電，借助于由Q2、Q3、C4和D3組成的創(chuàng)新驅動電路，該FET可輕松地通過控制器開關擁有比老式FET相對更少的導電和開關損耗。我們選擇轉換器的整流肖特基二極管D5,因為它擁有可阻止輸入電壓的電壓額定值、稍高于輸出電壓的峰值電流額定值，以及IDi°de,Ava、=（1D）XDiOde（AVg）IOUT（max）的平均電流額定值。利用Dmax5V/120V=0.04以及如此低的輸出功率，峰值電流額定值和功耗在兩種開關中都不成問題。降壓功率級的LC濾波器如TPS6420X系列產品說明書中介紹那樣設計。利用高于輸出電壓的輸入電壓，所有TPS6420X控制器將運行在最小導通時間模式下。方程式（1）計算高線壓下的建議降壓轉換器電感，其假設電感紋波電流系數的K=0.4。L=⑥一/叮）以崢］=（2我1-5弧65儂=428H—470"況0.4*0,750,4相對較高的K值最小化了電感值，并且經證明是可以接受的，因為這種特殊應用的穩(wěn)態(tài)輸出紋波要求小于0.02xVOUT，即高負載時的100mVPp。磁滯后，TPS6420X控制器一般在輸出電壓有一些紋波時工作效果最佳，建議使用至少50mESR的輸出電容可產生4P（esr）=ILxRESR的紋波電壓，其一般遠超出電壓紋波的電容分量。圖2顯示了該應用測得紋波。圖2Vin=250VDC和IOUT=500mA的輸出紋波由于TPS64203為磁滯型，因此在其運行在脈沖頻率模式下時，其輸出電壓在更低輸出功率下將會有更高的紋波。測得轉換器的工作頻率約為32kHz，其與下列預計值一致：.Dmin5V/250V工 工 二31kHz.“ 0.65即驅動電路工作原理雙極型晶體管Q1和電阻R4及R5構成一個恒流驅動的電平位移器，其允許低壓TPS64203控制器操作由Q2和Q3構成的離散式柵極驅動電路。同控制器一樣，電平位移器在啟動時由齊納二極管D2驅動，而在啟動以后經調節(jié)的5V則通過肖特基二極管D4驅動。功率FETQ4的柵極必須剛好過驅動，以為要求輸出電流提供可接受的RDS（on）。驅動過多會增加開關損耗，而驅動過少又會增加傳導損耗。檢查一些實驗和誤差后，我們選擇了VGS12V電容C4和二極管D3對驅動電路的功能至關重要。通過選擇電阻R5來將12V柵極驅動電平設置在整流器輸出電壓以下。二極管D3將電容C4限定在這一電平。特別是，當U1的開關引腳輸出一個低信號來開啟功率FET時，信號被電平位移到Q3的基極。晶體管Q3開啟，并快速地將Q4的柵源電容CGS充電至12V。如果沒有C4和D3的話，關閉Q4會讓Q3成為一種漏極接地的昂貴的高壓雙極型晶體管。當U1的開關引腳輸出一個高信號來關閉功率FET時，該信號被電平位移至Q2的基極。Q2開啟，有效地將Q4的柵極與輸入電壓連接。在沒有起到本地電源作用的電容C4的情況下，晶體管Q2和Q3無法提供快速（且因此而高效地）上拉或下拉Q4柵極電容所必需的快速電流峰值，注意到這一點很重要。另外，由R4設定的電平位移器電流ILS必須足夠高，以在ton（min）期間移動Q4的柵極電荷QGate。也就是說：【LS=邁84）一八比 〉〉 R4 on（min）電容C4值設定大于Q4的柵極電容，但其必須足夠小，以便在更短控制器最小導通與斷開時間期間能夠得到再充電。圖3顯示了300V和500mA負載輸入電壓下，一個開關周期的柵極和漏極導通/斷開時間。表1顯示了測得的轉換效率。圖3一個開關周期的Q4柵極和漏極電壓

表1測得的轉換效率

EFFICIENCY584069859,7976255.8111157.0795560.762157,07955EFFICIENCY584069859,7976255.8111157.0795560.762157,07955電流限制與軟啟動在許多低壓應用中，TPS6420X使用一個高端限流電路，旨在將安裝在VIN和ISENSE引腳之間的電流檢測電阻的壓降同基準參考電壓進行對比。如果檢測電阻的電壓超出該電壓，則電路關閉開關，從而實現逐脈沖電流限制。高壓應用中，ISENSE引腳上沒有過電壓時無法使用限流電路，因此ISENSE引腳高位連接至VIN。圖1所示電路沒有電流限制，推薦使用高端保險絲來提供短路保護。在一些典型的啟動應用中，TPS64203限流值慢慢上升，以提供限流的受控軟啟動。在這種應用中，限流電路和軟啟動均無效；因此，啟動浪涌電流會很大，而輸出電