基于PN8370的微型斷路器電動(dòng)操作系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

袁惠娟，劉劍濱

(1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214000；2.無(wú)錫東之晶電子科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引 言

電子產(chǎn)品工作離不開(kāi)電源，電源質(zhì)量直接影響電子產(chǎn)品的工作性能和使用壽命。因此，介紹了一種基于PN8370[1]的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，主要用于微型斷路器電動(dòng)操作系統(tǒng)。

該開(kāi)關(guān)電源有兩種狀態(tài)。當(dāng)微型斷路器電動(dòng)操作系統(tǒng)檢測(cè)到故障或處理好故障后，微型斷路器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)作相應(yīng)的分閘和合閘處理，這種狀態(tài)稱為電源工作狀態(tài)；馬達(dá)不運(yùn)行時(shí)，稱待機(jī)狀態(tài)。

開(kāi)關(guān)電源輸入取用市網(wǎng)電壓。為保證微型斷路器電動(dòng)操作系統(tǒng)中MCU控制系統(tǒng)、通信、顯示等組成部分能夠正常工作，即使馬達(dá)不工作處于待機(jī)狀態(tài)，電源也必須始終輸出11.5 V的直流電壓。當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，需要有11.5 V、1 A的直流電供給馬達(dá)運(yùn)行。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：(1)開(kāi)關(guān)電源0.5 W超低待機(jī)功耗[2-3]；(2)在超低待機(jī)功耗情況下，當(dāng)進(jìn)行分閘、合閘動(dòng)作時(shí)，馬達(dá)啟動(dòng)瞬間將導(dǎo)致大電流輸出，功率達(dá)30 W以上，要求系統(tǒng)功耗進(jìn)行從0.5 W到滿載30 W的平穩(wěn)切換。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入220 V的交流電，通過(guò)整流濾波后得到310 V的直流電。在PN8370芯片的控制作用下，將直流電轉(zhuǎn)化為幅值穩(wěn)定的高頻交流電，高頻交流電再經(jīng)二極管整流，電容濾波得到11.5 V能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作的直流電，后接HT7550三端穩(wěn)壓器，給控制系統(tǒng)供電。

圖1 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源

1 PN8370電源芯片介紹

PN8370為超低待機(jī)功耗準(zhǔn)諧振原邊反饋交直流轉(zhuǎn)換器芯片，芯片空載損耗(230 VAC)小于30 mW。圖2為該芯片的外形和內(nèi)部框圖，其中4腳CS調(diào)節(jié)最大功率，3腳FB恒壓控制。芯片PN8370內(nèi)部集成有信號(hào)采集、信號(hào)放大、比較器和驅(qū)動(dòng)電路等。PN8370工作處于原邊檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)整模式時(shí)，能夠得到高精度的恒流、恒壓輸出。

(a)外形

(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 PN8370外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 整流濾波電路設(shè)計(jì)

整流是利用二極管的單相導(dǎo)電性，將交流電變成脈動(dòng)的直流電。濾波是利用儲(chǔ)能器件將脈動(dòng)直流電變成比較平滑的直流電。設(shè)計(jì)中，選用MB10S整流橋堆起橋式整流作用，E1、E2、L1構(gòu)成∏型濾波器，得到+310 V的直流電。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 整流濾波電路

為有效抵御外界的雷擊、浪涌等大功率沖擊，在輸入端接入電阻R和壓敏VR構(gòu)成簡(jiǎn)單可靠的浪涌吸收部分[4-5]。電阻R為大通流量的合金絲電阻[6]，規(guī)格RXF21-2W-20R-J-6kV-300 A，可承受瞬間6 kV、300 A的大電流沖擊，壓敏電阻VR為10D561，是閾值電壓560 V、通流達(dá)5 kA的高能壓敏電阻，可將滲透進(jìn)來(lái)的浪涌幅度抑制在560 V左右。

2.2 基于PN8370控制的DC-AC能量轉(zhuǎn)換電路

基于PN8370控制的DC-AC能量轉(zhuǎn)換電路[7]，是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。變壓器T1是能量轉(zhuǎn)換的核心器件，電源芯片U1(PN8370)是能量控制的核心器件。

2.2.1 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器有3級(jí)繞組[8]：初級(jí)1～3繞組原邊作為能量的輸入和高壓母線連接，從市電取電；次級(jí)6～9繞組副邊作為能量的輸出和低壓控制端連接，給低壓控制系統(tǒng)供電；輔助4～5繞組作為能量的輔助輸出，給電源芯片PN8370供電。初級(jí)繞組原邊和次級(jí)繞組副邊通過(guò)變壓器隔離，可承受大于5 kV的電壓，以確保控制系統(tǒng)對(duì)操作者的防漏電安全。

設(shè)計(jì)變壓器時(shí)需要控制漏感，漏感低則損耗小，電源效率高。該設(shè)計(jì)選用性能較好的PC40磁芯，繞組均勻密集繞制，初級(jí)繞組分兩次繞制將次級(jí)繞組夾在中間(三明治繞法)，最終得到漏感約15 μH(10 kHz，主繞組感量1 mH)。根據(jù)輸入輸出電壓要求、材料特性、工藝特點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)得出變壓器詳細(xì)的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)，如表1所示。

圖4 DC-AC能量轉(zhuǎn)換電路

表1 變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2 DC-AC轉(zhuǎn)換的原理

圖4中D11、R4、R6、C2構(gòu)成續(xù)流電路和緩沖電路，吸收變壓器原邊在通斷時(shí)的能量沖擊；D12、R3和變壓器輔助繞組相連，用于給電源芯片U1供電；C1給電源芯片供電電路濾波，保障電源的穩(wěn)定性。DC-AC轉(zhuǎn)換電路能量轉(zhuǎn)換過(guò)程分成儲(chǔ)能和放能兩個(gè)階段。

(1)儲(chǔ)能階段：U1內(nèi)置MOS管導(dǎo)通，電流方向?yàn)?310 V母線—變壓器原邊—U1_SW—U1_CS—R1，R2—GND，此時(shí)變壓器原邊相當(dāng)于電感用電器，變壓器同名端(圖4中星號(hào))為負(fù)。因此，變壓器次級(jí)和輔助繞組同名端同樣為負(fù)，變壓器次級(jí)D13和輔助繞組D12因?yàn)殡妷悍聪驔](méi)有輸出。從能量轉(zhuǎn)換上看，母線輸入能量給變壓器，變壓器進(jìn)行儲(chǔ)能。

(2)放能階段：U1內(nèi)置MOS管截止，由于變壓器原邊的電感效應(yīng)，變壓器原邊中的電流會(huì)自己維持，電流方向?yàn)樽儔浩髟呁恕狣11—R4—R6并C2—+310 V母線，此時(shí)變壓器原邊相當(dāng)于電源，變壓器同名端(圖4中星號(hào))為正。因此，變壓器次級(jí)和輔助繞組同名端同樣為正，變壓器次級(jí)D13和輔助繞組D12正向?qū)ā哪芰哭D(zhuǎn)換上看，變壓器在MOS管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過(guò)D13、D12釋放給次級(jí)和輔助繞組。

2.2.3 電源芯片供電

在電源芯片PN8370啟動(dòng)階段，采用高壓?jiǎn)?dòng)技術(shù)。啟動(dòng)前，1.5 mA電流源為內(nèi)部偏置電路供電，并給外部電容C1充電。當(dāng)VDD電壓達(dá)到VDDon，芯片開(kāi)始工作，同時(shí)高壓?jiǎn)?dòng)電路關(guān)斷，通過(guò)輔助繞組和D12給電源芯片供電。

2.2.4 電源恒壓控制

PN8370使用脈沖采樣VFB電壓并保持到下個(gè)采樣點(diǎn)，將采樣的電壓VFB和芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF_CV進(jìn)行比較。該基準(zhǔn)設(shè)置為2.5 V，并放大誤差。誤差值代表負(fù)載情況，通過(guò)控制電源芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)節(jié)電源芯片的輸出占空比D，達(dá)到對(duì)輸出能量的調(diào)節(jié)，使得輸出恒定。

輸出電壓Vo計(jì)算如下：

其中：Va是變壓器輔助繞組5腳輸出電壓；Na是變壓器輔助繞組匝數(shù)，Vo是次級(jí)輸出電壓即E3端電壓，Vd是二極管D13的壓降，Ns是變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)。

分壓電阻R8=10 kΩ，R7=56 kΩ，參考電壓VREF_CV=2.5 V，代入式(1)，得Va=16.5 V。

將Va=16.5 V，Na=17(變壓器輔助繞組匝數(shù))，Ns=13(變壓器次級(jí)繞組匝數(shù))，代入式(2)，得出輸出電壓Vo=11.5 V。

當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，輸出電壓Vo會(huì)瞬間抬高，使得Va和VFB也瞬間抬高，芯片內(nèi)部比較器輸出為負(fù)，減小占空比D，從而減少能量的輸出，使得輸出電壓Vo下降。當(dāng)負(fù)載變重時(shí)，輸出電壓Vo會(huì)瞬間降低，使得Va和VFB也瞬間降低，芯片內(nèi)部比較器輸出為正，增加占空比D，從而增加能量的輸出，使得輸出電壓Vo升高?？梢?jiàn)，通過(guò)這樣的負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓的恒定控制。

2.2.5 電源功率控制

PN8370提供逐周期電流檢測(cè)功能，芯片通過(guò)CS引腳的電阻R1、R2并聯(lián)檢測(cè)MOS管電流，設(shè)置點(diǎn)和最大輸出功率都通過(guò)調(diào)整CS引腳上的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。CS為初級(jí)電流采樣，CS的設(shè)定值為0.5 V，選擇R1=R2=1.2 R，計(jì)算可得最大初級(jí)峰值電流Imax和最大峰值功率Pmax，即達(dá)到這個(gè)數(shù)值，電源芯片PN8370會(huì)過(guò)流關(guān)閉。

其中，采樣電阻Rcs是兩個(gè)1.2R電阻的并聯(lián)，Rcs=0.6R，Vcs=0.5 V，帶入式(3)得到Imax=0.83 A。

占空比D=0.45，功率因素PFC=0.5，輸入電壓Vin=220 V，代入式(4)得到Pmax=40 W。

通過(guò)上面計(jì)算可知，該電源設(shè)計(jì)最大峰值功率40 W，超過(guò)馬達(dá)啟動(dòng)所需要的30 W功耗，滿足馬達(dá)的啟動(dòng)要求。

2.3 次級(jí)輸出供電

由DC轉(zhuǎn)換成高頻AC電壓后，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的半波整流、電容濾波，就可以得到11.5 V的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的直流電壓。為吸收變壓器次級(jí)的尖峰毛刺，在整流二極管D13上并聯(lián)R5和C3，電路如圖5所示。

圖5 次級(jí)輸出供電

2.4 5 V控制系統(tǒng)供電

由11.5 V降至5 V的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片有很多，如7805、LM2940-5、LM317、LM2576-5/LM2596 等集成芯片，但是考慮到成本、體積和功耗等因素，本設(shè)計(jì)選用了HT7550芯片，電路如圖6所示。C4、C5兩個(gè)濾波電容使輸出電壓進(jìn)一步得到穩(wěn)定，總電路如圖7所示。

圖6 11.5 V轉(zhuǎn)5 V

3 電源空載和電源滿載的平穩(wěn)過(guò)渡

3.1 電源空載

電路待機(jī)功耗主要來(lái)源電源芯片、變壓器、電源假負(fù)載。設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源芯片的選型、變壓器的設(shè)計(jì)、電源假負(fù)載選擇是考慮的重要環(huán)節(jié)。待機(jī)情況下，為了降低功耗，電源芯片PN8370處于間歇工作模式，100 ms啟動(dòng)一次脈沖輸出，一次脈沖輸出維持1～3 ms，能夠給輸出電解電容充電，通過(guò)輸出電解電容維持后續(xù)控制電路的工作，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此，該系統(tǒng)平均功耗不到50 mW。

圖7 總電路

3.2 電源滿載

當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)，電源芯片從檢測(cè)到負(fù)載進(jìn)行變化，到進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)需要數(shù)微秒的時(shí)間。此時(shí)，馬達(dá)只能通過(guò)輸出電解電容儲(chǔ)存的電量進(jìn)行供電，會(huì)瞬間拉低電解電容的電壓，導(dǎo)致電源負(fù)載無(wú)法正常工作。這種掉電壓情況是開(kāi)關(guān)電源的固有問(wèn)題，因此一般開(kāi)關(guān)電源都需要加假負(fù)載來(lái)維持開(kāi)關(guān)電源的正常工作模式。但是，設(shè)計(jì)中為了低功耗不能增加固定假負(fù)載。因此，設(shè)計(jì)中利用MCU控制電源假負(fù)載，逐級(jí)增加控制系統(tǒng)的功耗，作為開(kāi)關(guān)電源的可變假負(fù)載，使電解電容電壓緩慢跌落，從而給開(kāi)關(guān)電源喚醒和穩(wěn)定工作的時(shí)間。

具體操作如下。首先，1 ms時(shí)間喚醒MCU和通信芯片，此時(shí)LDO的電流增加(2～5 mA)，LDO的功耗也會(huì)增加；其次，點(diǎn)亮所有的LED燈、數(shù)碼管(20～25 mA)持續(xù)5 ms，這時(shí)開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)進(jìn)入正常的工作模式，電源工作頻率達(dá)到50 kHz以上，可以滿載工作，足以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)了空載和滿載之間的平滑過(guò)渡。

4 結(jié) 論

該設(shè)計(jì)是一款基于FLYBACK的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，恒壓輸出的AC-DC開(kāi)關(guān)電源額定輸出11.5 V-1 A，具有低功耗(待機(jī)功耗<50 mW)、負(fù)載特性穩(wěn)定(0～30 W負(fù)載穩(wěn)定切換)、高可靠(群脈沖6 kV，浪涌10 kV，耐壓10 kV)的優(yōu)點(diǎn)。因此，該設(shè)計(jì)電源可以廣泛用于環(huán)境惡劣、使用壽命要求高的場(chǎng)合，如手機(jī)野外基站電源等。