开关电源在智能电表中普及需要更适合的方案

日期:2014-10-31
 

作者:王晓峰,飞兆半导体(上海)有限公司经理应用工程师;黄刚,飞兆半导体(上海)有限公司资深应用工程师;单士臣,飞兆半导体(上海)有限公司资深现场应用工程师
 
像手机充电器中小巧轻便的开关电源早已取代了笨重工频变压器火牛一样在智能电表中开关电源也将会取代传统电源方案而成为主流。但由于智能电表应用的特殊性,用于普通消费类产品中的电源方案无法直接应用在智能电表中,而是需要针对这些特殊性开发出适合的方案替代才能实现。本文分析了智能电表应用环境对于电源的特殊要求及技术上的挑战,并介绍了一款专门为智能电表电源开发的高压集成式功率开关,以及设计实例。
                        

前言

尝试着到电子市场上去找个采用工频变压器的手机充电器或者电源适配器去配你的古董设备?99%的机会你会失望而归。除非你幸运地找到了一个卖收藏品的店家。没错,消费品市场的电源从线性到开关方案的转换早在十几年前就完成了。促成这一转换代原因有以下几个。有漏掉的请读者朋友补充哈。
1.      开关电源成本的下降以及线性变压器成本的上升使得前者低于后者。
2.      开关电源技术的成熟使得大批电源制造商能够提供合格的产品。
3.      开关电源方案可靠性的提升使得产品品质得到用户的认可。
4.      开关电源在效率和待机功耗方面的优势顺应节能环保的趋势,并得到政府在法规方面的支持。
然而至今,在智能电表中线性电源仍然占据主流。原因大概有以下几个。同样,欢迎朋友们补充。先给说的好的朋友点个赞!
1.      电表电源对于输入电压范围,抗雷击、浪涌的能力以及可靠性的要求比消费品电源高的多。当前的技术方案还不成熟。
2.      达到要求的开关电源价格还高于线性电源。
3.      限制待机功耗和效率的标准还没有出台。
但是,随着方案的日渐成熟,替代一定会来的。你信不信我不知道,反正我相信。因为人类对于美好环境的渴望会激励包括作者在内的工程师们的不懈努力。
 
 

开关电源在智能电表应用中面临的挑战

:输入电压范围

做电表的朋友都知道,标准要求电表电源要耐受1.9倍的电源电压,原因是当电表(单相)错接到两条相线且电压正偏差达到30%时电表不能损坏。在低压端,由于中线不平衡等原因电压降到90V以下时电表仍要正常工作。因此对于单相电表来说输入电压范围需要达到80-420VAC而不是消费品电源要求的90-264VAC。而三相电表要求的范围更宽。
420VAC比264VAC高出的这156VAC意味着什么呢?我们来看一看图1。
 

图1:NOS管关断时漏极的电压波形
 
做过电源的朋友都非常熟悉。这是一张反激式开关电源开关NOS管漏极的电压波形图。NOS管的耐压必须高于可能出现的最高电压尖峰并留有一定的余量才能保证正常工作而不会因雪崩击穿而损坏。从图中可以看到最高的电压尖峰是由直流母线电压、吸收电容上的电压尖峰以及走线上杂散电感与NOS管输出电容振荡造成的电压尖峰这3部分叠加构成。其中走线上杂散电感造成的电压尖峰相对较小,我们干脆把它算到电压余量里,就不再讨论了。
由于输入电压增加了156V,整流后的直流母线电压VDC从373V变为593V。这220VDC直接叠加在了NOS管的漏极而使电压尖峰提高。
吸收电容上的电压又可分成反射电压VRO和变压器漏感与NOS管输出电容振荡产生的电压尖峰两部分。后者可以通过加强吸收来降低幅度,但会损失效率并增加吸收电路的温升。一般来讲控制在50-100V比较合理。
VRO的幅度与占空比D相关。VRO=VDC•D/(1-D)。VDC升高了220V,如果保持D不变,VRO就会按比例升高。如果想要VRO不变,就必须减小D。减小D之后会带来什么影响呢?首先我们看这个公式:IEDC=PIN/(VDC•D)。其中PIN是输入功率。IEDC是NOS管导通时的平均电流。D减小后IEDC会随之增大,导通损耗增加,效率降低。另外,次级整流二极管上的电压和D成反比,D减小后需要选用更高耐压的二极管。当二极管耐压超过200V后就没有肖特基二极管可用了。而且无论是肖特基还是普通快恢复二极管,耐压越高正向压降越大,效率损失就越大。因此一般来讲对于高输入电压的电源,VRO应该选择高一些。
但是在低压侧,占空比D的上限又限制了VRO的提高。首先一般的AC-DC PWM控制器都有一个D的上限,大约在2/3左右。想再提高D已经不可能了。实际设计中为了平衡高、低输入电压压下的效率,往往让电源在输入高压时工作在断续电流模式DCM,低压时工作在连续电流模式CCM。我们知道CCM下D超过50%会产生次谐波振荡,也就是常说的大小波,因此D又被限制在更窄的50%。
由于成本和空间的限制,用于工频滤波的大电解取值不可能太大。同时由于VDC超过了常用电解电容的最高耐压450V,必须使用两颗以上的电容串联使用,因此容量就更加受限。容量不足会而使得VDC的纹波变得很大,波谷时电压更低。举个例子,我们做一个5W的电源,默认效率是85%,电解电容用两颗22uF的串联,输入80VAC时波谷电压只有92V。在这种情况下,VRO设计为90V比较合理。
综上所述,一个电表电源漏极尖峰电压大致为593V+90V+100V=783V。加上10%的耐压余量就是861V。用于消费品电源的耐压为650-700V的普通方案显然无法用在电表上。

1.1.                       浪涌

电表电源比消费品电源需要更强的抗击浪涌的能力。至于原因嘛,我认为是下面这个。如果不对,欢迎各位专家和大侠来拍砖。在一个已经启用的建筑里,许多的用电设备都连接在电网上,每个设备都有X电容、MOV等可吸收浪涌的器件。因为是并联,浪涌的能量被共同分担,每台设备承受的能量有限,大家都安全。而在一个新的建筑里,电表已经装好了其它电器还没有装。电表形单影只孤身抗敌,承担的能量要强的多。
笔者通过对从用户那里得到的信息进行分析,浪涌是造成电表开关电源损坏率高的主要原因。提高开关电源的抗浪涌能力可以从几个方面着手。首先,在电源输入端增加浪涌吸收元件,如MOV、TVS、气体放电管等。这些东西都不便宜,我想这也是电表中开关电源价格高的重要原因。
第二,进一步提高电源的输入电压范围。浪涌能量到达到达VDC时即使能量没有被充分吸收其电压还在电源允许的正常工作范围内。这样做,对于保护电源中浪涌中不会损坏无疑是奏效的,但前面讲到的对于NOS管耐压的要求,就更加严苛了。
第三,加强电源中集成电路的抗静电等级以及优化PCB走线。有时浪涌损坏的原因并不是开关器件的耐压不够,而是IC 出现EOS所致。EOS是英文电过应力的缩写。IC的每个引脚都有其允许的最大耐受电压,在IC的规格书中会明确给出,正确的设计是不会让正常工作时的电压值超过最大耐受电压的,但浪涌来到时就难说了。没有被吸收掉的能量可能会窜到IC的引脚中使得脆弱的引脚因过应力而损坏。IC规格书中ESD指标可以一定程度上反映IC抗击过应力的能力。很多经验不是很丰富的工程师,在PCB布线时不会考虑浪涌的放电路径。即使是经验丰富的工程师,由于结构和线路板尺寸等原因,也无法做到浪涌放电不会干扰到IC的敏感引脚。在同样的PCB走线的条件下,ESD等级高的IC可能能扛住浪涌的能量而等级低的IC可能就挂了。

一个1000V耐压的集成式功率开关

这款型号为FSL4110LR的IC是专门为智能电表应用开发的,因此针对电表的各项特性和挑战都做了专门的对策。下面我们来逐一的介绍。首先它是一颗内置NOS的IC,且外部零件少。由于电表的内部空间非常狭小,内置NOS的全集成方案比起NOS外置的分立方案来讲会节省一些空间。同时由于外部零件少,PCB走线可以更加精简,对于抗击浪涌和其它干扰都有好处。IC的过温保护功能包含了对NOS温度的准确监测,使得电源的可靠性更有保障。
第二就是它的1000V耐压了,这点前面已经讨论了很多。足够的电压余量保证浪涌能量没有被充分吸收时仍有足够的空间来保证NOS的安全。
第三,输入过压保护功能。从图1中可以看到,电源工作时,NOS漏极的电压是远高于直流母线电压的,这是单管反激拓扑的特性。但如果电源停止工作了,NOS管上的电压就是直流母线电压。这时电源抗NOS管过压的能力便提高了两百来伏。输入过压保护功能正是出于这种考虑,实时监测直流母线电压,一旦超过设定的门限,立即关闭PWM。当浪涌过后立即恢复。
第四,50KHz固定开关频率。在智能电表中,数据有时会通过电力线载波的方式传输。开关电源工作时高dV/dt的节点和高dI/dt的路径可能会干扰敏感的通讯信号。电源的工作频率以及它的倍频与通讯的载波频率接近时干扰更加不易处理。50KHz的开关频率避开了常用的载波频率点。
另外,我们知道开关电源的损耗主要由开关损耗和导通损耗两部分组成。在电压较低时,导通损耗占据主要部分,而当电压较高时,开关损耗占主要部分。而较低的开关频率会降低开关损耗。这也是我们这颗IC选择了低于一般IC 65KHz开关频率的原因。如果选择准谐振QR方式虽然可以降低开关损耗,但QR的工作频率会随着负载的变化而变化。不适合像电表这种对于开关频率有要求的应用。

设计实例

图2是采用FSL4110LR设计的评估板,图3是线路图。板上预留了三相四线交流输入,采用单相电时,接入4线中的任意两线即可。
板上预留了5V/1.5A,5V/0.1A, 12V/0.1A三组隔离输出。测试时我们只接了两组5V输出。这对于效率的测试会更加苛刻。
表1是在不同输入电压下待机功耗的测试结果。表2是效率的测试结果。
 

 
 

图2:FSL4110LR评估板插装元件面和焊锡面照片
 

图3:FSL4110LR评估板原理图
 
表:1:待机功耗测试结果
输入电压 90Vac 115Vac 230Vac 300Vac 380Vac 400Vac
输入功率 28mW 38mW 105mW 169mW 267mW 348mW
 
 
表2:效率测试结果(满载=5V/1.5A + 5V/0.1A)
输入电压 25% 负载 50%负载 75%负载 满载
90Vac 75.33% 79.07% 78.25% 79.28%
230Vac 69.31% 72.00% 76.56% 77.00%
300Vac 64.63% 69.39% 71.48% 75.98%
380Vac 61.09% 66.60% 67.64% 73.83%
400Vac 58.60% 63.85% 65.15% 71.34%
 
 

文献

AN4137-SC采用FPS的反激式隔离AC-DC开关电源设计指南。作者Hang-Seok Choi 博士。
www.fairchildsemi.com
 
 

订阅我们的通讯!

电子邮件地址