寬電壓輸入的穩壓輸出電路設計及浪涌抗擾度分析

梅珍妮

（廈門中翎易優創科技有限公司，福建 廈門 361000）

現有技術中，對工頻交流電（AC）降壓一般采用開關電源電路、阻容降壓電路或者經過變壓器降壓后通過整流濾波獲得需要的直流電壓。由于開關電源中的變壓器、阻容降壓中的降壓電容、以降壓變壓器等器件體積較大，常規電路均不能滿足產品的小型化要求。基于此，本文提出一種基于ⅠGBT的與開關電源芯片結合的降壓電路，并且電路具有寬電壓輸入的優點。同時，電路在抗電磁干擾方面也具有良好的性能。本文以抗浪涌試驗為例進行EMC特性分析。

1 寬電壓穩壓輸出電路

1.1 ⅠGBT介紹

ⅠGBT（Ⅰnsulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET（金氧半場效晶體管）的高輸入阻抗和GTR（電力晶體管）的低導通壓降的優點。

STGD5NB120SZ具有低導通壓降（VCE（sat））、高電流能力、高壓鉗位的特點，該器件是采用先進的Power－MESH技術開發的低功耗內部箝位ⅠGBT。這一過程保證了開關性能和低導通狀態行為之間的良好權衡。主要應用于低開關頻率領域。

圖1為STGD5NB120SZ示意圖，其中器件部分絕對最大額定值見表1，特性參數見表2。

表2 STGD5NB120SZ參數表

圖1 STGD5NB120SZ示意圖

表1 STGD5NB120SZ絕對最大額定值

1.2 LNK306芯片介紹

LNK306是POWER公司的一款非隔離的開關電源芯片，可以用于輸出電流小于360 mA的所有線性及電容式降壓電路，輸出電流見表3。內部集成了700 V功率MOSFET、振蕩器、簡單的開/關控制方案、高壓開關電流源、頻率調制、逐周期電流限制電路及過溫保護電路。芯片在啟動和工作時，電源直接來自漏極引腳上的電壓，無需在BUCK或反激變換器中使用偏置電源和相關電路。LNK306中集成自動重啟電路，可在短路或開環等故障條件下安全限制輸出功率，從而減少外部元器件數量和外圍保護電路成本。如果需要，ⅠC提供的本地電源允許使用非安全級光耦作為電平移位器，以進一步增強buck和buck-boost轉換器中的線路和負載調節性能。

表3 輸出電流表 （mA）

1.3 寬電壓輸入的穩壓電路分析

工頻交流電（AC），居民用電或工業用電，可分為工頻單相交流電和工頻三相交流電。對工頻電的使用，可以首先將其整流、濾波、降壓，得到一個一次直流電壓，如24 Vd.c.，之后再通過DC-DC芯片或LDO芯片等轉化為后端MCU或驅動電路所用的直流電壓，如12 Vd.c.、3.3 Vd.c.等。

圖2為寬電壓輸入穩壓電路，三相交流電PA、PB、PC、PN經過限流電阻R1、R2、R3和保險絲F1后，通過D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8八顆二極管的單向導通作用，全波整流、濾波，得到直流高壓電。通過ⅠGBT一次穩壓作用，將電壓降低到一特定值，經過π型濾波電路進行濾波，得到一個較為平滑的直流電壓，作為輸入，供給開關電源芯片U1。經過開關電源芯片U1及外圍電流配比，輸出得到+24 Vd.c.電壓。

1.3.1 整流濾波電路

目前，世界各國的電力系統中，電能的生產、傳輸和供電方式，絕大多數采用三相制。對稱三相電源由3個等幅值、同頻率、初相依次滯后120°的正弦電壓源連接成星型或三角形組成的電源。這3個電源依次稱為A相、B相和C相。

在圖2中，輸入PA、PB、PC、PN三相電源，分別外接電力系統A相、B相、C相及零線N。經過限流電阻R1、R2、R3和保險絲F1后，通過D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8八顆二極管的單向導通作用，經過全波整流、濾波，得到直流高壓電。

圖2 寬電壓輸入穩壓電路

三相橋式整流后輸出電壓平均值為

三相橋式整流后輸出電壓最大值為

考慮市電不穩定性，欠壓相電壓最低為50 V，過壓相電壓最高為275 V。

（1）根據公式計算，整流濾波后電壓平均值

（2）根據公式計算，整流濾波后電壓最大值

1.3.2 ⅠGBT穩壓電路

當輸入三相AC電壓的波動在50～350 VAC范圍內時，輸入到ⅠGBT的C極電壓范圍為117～819 V。

如圖3所示，根據負載電壓要求，選擇穩壓管標稱值。降壓電路輸出電壓UO，輸出電壓略小于穩壓管上端電壓值UG。穩壓管的選擇數量和穩壓值根據實際電路確定。流經穩壓管的電流值由電阻R4、R5和整流后電壓UC確定。

圖3 電流走向示意圖

后端，LNK306要求UO輸出不大于400 VDC，以選擇2個160 V的穩壓管為例進行介紹。穩壓管電壓值合計320 V。

從而確定電阻的耐壓、阻值、功率參數。

STGD5NB120SZ相關參數為

（1）當VC≤320 V時，VG≈VC；（2）當VC＞320 V時，VG=320 V。

設UO后端等效負載RD，則流經負載RD電流為IC，

故：UO=RD×IC。

UO等于ⅠGBT后端輸出電壓UE。

故：UGR=UG-UE=UG-RD×IC。

此處，UG和RD對既定電路為已知量，UGE為IC的一次函數，與轉移特性曲線結合得出如圖4曲線。2條曲線的交點，即為電路工作的實際UGE電壓，略大于開啟電壓VGE(th)。

圖4 STGD5NB120SZ轉移特性曲線

穩壓管Z3和Z4的選擇，作用為保護ⅠGBT的G腳和E腳在大電流沖擊情況下不被損壞。穩壓值小于VGE（±20 V）。

1.3.3 LNK306降壓電路

不大于8.64 W通用輸入降壓電路如圖5所示，電路是一個24 V、360 mA非隔離電源的典型實現，用于磁保持繼電器的控制。

圖5 LNK306降壓電路

輸入級為π型濾波電路，作用就是去除不需要的諧波，在直流電源中時減小電流的脈動，使電流更加平滑。

功率處理級由開關電源芯片U1（LNK306）、續流二極管D2、電感器L3和輸出電容C9組成。LNK306的選擇應確保電源在連續傳導模式（CCM）下工作。二極管D2是一種超快二極管，對于連續傳導模式（CCM）設計，二極管的trr建議使用在35 ns內。電感器L3是一種標準的電感器，具有適當的RMS電流額定值（且可接受溫度上升）。電容器C9為輸出濾波電容，其主要功能是限制輸出電壓紋波。

開始工作，D2和D9的正向電壓降是相同的，因此，C8上跟隨輸出電壓。C8上產生的電壓通過連接到U1反饋引腳的電阻分壓器R7和R8進行感應和調節。R7和R8的值的選擇應確保在所需輸出電壓下，反饋引腳處的電壓為1.65 V。

通過跳過切換周期來維持調節。隨著輸出電壓的升高，進入反饋引腳的電流將升高。如果超過反饋電源ⅠFB，則將跳過后續循環，直到電流降至ⅠFB以下。因此，隨著輸出負載的減少，將跳過更多的周期，如果負載增加，將跳過更少的周期。為了在50 ms內沒有跳過任何周期時提供過載保護，開關電源芯片LNK306將進入自動重啟，將平均輸出功率限制在最大過載功率的6%左右。

由于輕載或空載時輸出電壓和C8兩端電壓之間的跟蹤誤差，需要一個小的假負載R9。對于圖5中的設計，如果需要調節至零負載，則該值應降低至2.4 kΩ。

2 電路抗擾浪涌能力分析

本電路抗浪涌主要依靠壓敏電阻，壓敏電阻的電氣參數使用數字電橋、晶體測試儀、高壓漏電流測試儀、絕緣電阻測試儀測試。

2.1 檢測過程注意事項和說明

（1）壓敏電壓（V）：指通過1 mA直流電流時壓敏電阻器兩端的電壓值

（2）限制電壓（V）：指壓敏電阻器兩端所能承受的最大電壓值

（3）通流容量（kA）：允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。

（4）漏電流（nA）：指在25℃條件下，當施加最大連續直流電壓時，壓敏電阻中流過的電流值。

2.2 型號選擇說明

（1）壓敏電壓值大于整流后直流電壓值。

根據實際輸入電壓考慮，并設置余量。

（2）壓敏鉗位電壓值不得超過后端電路所能承受的最大電壓值。

如圖3所示電路，路線虛線回路，ⅠGBT的VCES=1 200 V，U（Z3+Z4）＜20 V，U（Z1+Z2）=320 V。

故，壓敏電阻鉗位電壓不得超過1 200+20+320=1 540 V，并設置足夠余量。

該電路選取TDK公司，S10K550型號壓敏電阻，產品滿足抗浪涌等級4的要求。線-線開路試驗電壓2 kV，線-地開路試驗電壓4 kV。

3 結論

本文提出的寬電壓輸入的穩壓輸出電路適用于3P或3P+N電壓輸入。當斷零、斷相、電源線錯接時，電路可以正常運行。最小三相電壓50 VAC時，最大單相相電壓達到440 V或三相相電壓同時達到350 V，電路可正常運行。但此電路不宜用于大負載，負載大時，Ⅰc電流較大，ⅠGBT功率過高，發熱嚴重。

相對開關電源電路、阻容降壓電路或電壓器降壓電路等，此電路具有體積小效率高的特點，ⅠGBT電路設計對產品的小型化設計起到有益的作用。通過選擇合適參數的壓敏，電路的抗浪涌性能滿足國家標準等級4的要求。