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儀器技術文章 |
采用導通角技術的低功耗、低成本脫機高壓電源開關穩(wěn)壓器
來源：東方嘉儀 www.enraytech.cn 點擊：
今天在家用電器和其它由交流電供給負載的應用技術中傳統(tǒng)的凸輪開關、限位開關和其它電氣機械器件正在不斷地被淘汰取而代之的是電子控制器。一般情況下這種控制器是基于低成本微控制器需要由5V的電源供給。目前在市場上低電流5V電源穩(wěn)壓器的產品很多但是大多數控制器卻要求先將交流電壓轉換成電壓較低的直流電壓然后再把直流電壓調節(jié)至5V。
ST最近推出的VB409穩(wěn)壓器其設計可以和整流后的110/230Vrms交流電直接相連供給輸出電壓穩(wěn)定在5V±5%內部輸出電流限制在80mA。目前能夠和整流后的交流電直接相連的其它品牌的高壓線性穩(wěn)壓器產品很多但是基于導通角限制技術的VB409通過采用一種控制器技術可以大幅度提高器件效率和電源能力。VB409輸出電流是標準高壓線性穩(wěn)壓器的3倍因此特別適用于低成本、低功耗的應用領域如洗衣機、中央供熱、功率計量等不需要電流絕緣的類似應用技術。VB409效率高內部功耗低封裝可以采用表面貼裝技術的PowerSO10(TM)也可以采用通孔安裝技術的PENTAWATT HV（高壓版）。
制造工藝和導通角控制技術是VB409的兩個主要特色。這個器件采用ST公司開發(fā)的VIPower M1的智能電源專利技術制造除此之外ST還有多“垂直智能電源”技術在這項技術中一個高強度雙極或DMOS垂直電源級(電流像在分立功率晶體管里一樣直流體硅片）配合芯片上模擬和數字電路提供控制、診斷和保護功能。
此項技術早在上個世紀90年代就開始大規(guī)模投入生產了，在汽車領域得到廣泛應用。汽車與家用電器相比應用環(huán)境更加惡劣從而證明了該技術的可靠性除本身內在的可靠性外VB409對外圍元件的數量需求也減少了從而進一步提高了系統(tǒng)的整體可靠性。
VB409的第二個特色是它所采用的把整流后的交流電輸入電壓轉變成 5V 輸出電壓的技法。內部功耗決定了在沒有散熱器的情況下能夠供給的最大電流或者供給一個規(guī)定的輸出電流所要求的散熱器的大小（相應的成本）因此這是人們在設計各種穩(wěn)壓器時要關注的一個重要問題。在脫機穩(wěn)壓器技術中輸入是交流電源電壓而輸出電壓卻很低只有幾伏輸入輸出之間的巨大差壓意味著效率特別重要。
如圖1所示，水下超聲波測厚儀VB409有兩個分開的級分別和一個用于存儲電能的外電容器相連。第一級是一個預穩(wěn)壓器它負責把整流后的高壓電源降至低壓同時向電容器充電。電容器在每個交流電源周期中存儲電能然后給第二級的低壓線性穩(wěn)壓器供電。
預穩(wěn)壓器采用一個雙極“Trilinton”無源器件和三個比較器。第一個比較器負責測量集成化電阻器上的電壓執(zhí)行內部電流限制功能；第二個比較器負責整流后的電源輸入的分壓（由外部電阻分壓器決定）和預設的基準電壓對比第三個負責檢測電容器上的電壓。當電阻分壓器的中間點上的電壓低于門限值（如：導通角小于切斷值）時內部限制電流給電容器充電。電容器上電壓達到內部最大固定值后第三個比較器立即動作把電流限制至負載要求。當導通角限制達到后輸入電壓級被切換成高阻抗狀態(tài)停止從電源吸收電能。因VB409只在每個正周期的低壓部分時從電源吸取電能所以，與連續(xù)從電源上汲取電能的拓撲技術相比第一級的功耗降低幅度很大圖2。
當然為了保證VB409的正確操作外部電容器在充電期間被充電量必須充足能夠在脫機時向第二級供給。為確保第二級在輸出電流最大值時的功能性選擇電容器值時電容器上電壓必須大于額定最小值即輸出電壓與第二級上的最小電壓降之和。重要參數包括外部電容器的電容和電阻分壓器的變比這種拓撲結構允許設計人員利用外電容器的容量和成本解決功耗問題（散熱器的體積和成本）。
外部電容器的預穩(wěn)壓器最大值為16V（典型值）這一預穩(wěn)壓還能向對穩(wěn)壓沒有過高要求的第二負載（如繼電器）供給由此可見VB409還可以叫做雙輸出端穩(wěn)壓器。
在線性穩(wěn)壓器中對于一個規(guī)定的輸出電壓內部功耗是平均輸入電壓的函數：Pdiss = Iout(Vin - Vout)其中Vin表示平均輸入電壓在交流電源的一個完整周期上的平均值。對于VB409來說只要超過預設的導通角時（對于電流周期的多數部分）輸入電流微乎其微因此功耗也相應地大幅度降低。
例如當平均輸入電壓為175V (相當于230V歐洲電網電源)輸出電流25mA時使用標準穩(wěn)壓器時內部功耗應為(175-5)x0.025 約等于4.4W。使用一個VB409、一個外部100uF電容器和能夠保證正確操作的電阻分壓器變比時內部功耗測量結果僅為0.9W 比正常值的四分之一還要低！
電感器與輸出端管腳串聯如圖3所示可進一步降低VB409的功耗。
串聯電感從電源上去掉電源開關耦合允許開關在接通狀態(tài)下在飽和區(qū)域工作。通過使用這種配置與沒有安裝電感器的標準拓撲結構相比功耗降低25% 。二極管D為存儲在電感器內的電能創(chuàng)建一個放電通道限制在關斷狀態(tài)時器件上出現過壓。
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