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解析增加AC-DC電源掉電保持時間的簡單方法

時間:2019/12/20閱讀:1926

解析增加AC-DC電源掉電保持時間的簡單方法

ACDC開關電源有項重要的參數??掉電保持時間,指從AC掉電到輸出電壓下降到范圍(通常是-2%)之外的時間差?t,如圖1所示。通俗地講,就是開關電源在沒有輸入后,輸出還能撐多久。

  很多情況下,系統在到AC掉電后,需要對數據進行保存、傳輸,對執行器的狀態進行設置等等。因此,在AC掉電后,開關電源還需要能持續給系統提供電源段時間,以系統可靠關閉。另外,在有UPS的系統中,從市電切換到UPS供電的過程中,也需要開關電源能維持正常輸出。

  圖1 掉電保持時間示意圖

  1 掉電保持時間的決定因素

  常規ACDC開關電源原理框圖如圖2所示,AC輸入經過整流濾波后,變成個直流電壓(有的紋波電壓),再通過DCDC變換器轉換成我們所需要的電壓輸出。電路可根據輸入電壓和輸出負載來調整占空比(PWM模式)以實現穩定的電壓輸出。在AC輸入掉電后,由輸入濾波電容存儲的能量給輸出供電,在這個過程中,濾波電容電壓逐漸下降,電路通過調整占空比依然可以實現額定的輸出電壓,直到電容電壓下降到電路能調整的范圍之外時,輸出電壓開始下降。

  圖2 ACDC開關電源原理框圖

  我們通過舉例來說明決定掉電保持時間的因素。假設款Vo=5V、Po=20W、效率為η=0.78的產品,DC-DC部分可正常工作的低電壓Vin_min=100V,電源內部輸入濾波電容Cin=47uF。假設標稱220Vac輸入整流濾波后的電壓為直流電壓(實際有紋波),其值Vin_nor=308V,根據能量守恒有下式:

  0.5*Cin*(Vin_mor2-Vin_min2)=?t*Po/η……(1)

  代入數值可得:?t=77.9ms。

  從上式可以看到,?t與輸入電容、AC輸入電壓、產品效率成正比,而與輸出功率、DC-DC部分低工作電壓成反比。

  在實際的工程環境中,輸入電壓是固定的。對某款具體的AC-DC電源產品來說,內部輸入濾波電容Cin、DC-DC部分低工作電壓Vin_min、效率η都已無法改變,所以,電源本身的掉電保持時間無法改變。通過外圍調整,也無法改變產品的Vin_min和η,能調整的是在電源前端再接整流濾波,外接的濾波電容與電源內部的輸入濾波電容是并聯關系,等效增加了Cin,增加了掉電保持時間。

  如果電源前端加的濾波電容取100uF/400V,則掉電保持時間在之前的基礎上增加165.7ms。如果電源工作在半載條件,則掉電保持時間可以再增加倍,如表1所示。

  表1 掉電保持時間與輸入電容、負載關系表

  2 輸出電容對掉電保持時間的影響

  在上述條件下,我們再計算下通過增加輸出電容Co來延長掉電保持時間的效果。假設:輸出電壓是±2%,則輸出電壓下限Vo1=4.9V、Co=40000uF,則有:

  0.5*Co*(Vo2-Vo12)=?t1*Po……(2)

  代入數值可得:?t1=1ms。

  我們發現,輸出40000uF的電容延長掉電保持時間有1ms!由此可見增加輸出電容對掉電保持時間的影響微乎其微。

  3 外圍電路

  如圖3所示,外圍電路的輸入端接市電,輸出可等效為直流電源,接在ACDC開關電源的L、N上。C1要根據實際負載、輸入電壓以及所需要的保持時間來確定,沒有明確的值。由于增加了C1,開機沖擊電流會增大,R1可以用來減小該沖擊電流,可以選擇3W的繞線電阻,阻值大致在2~7.5歐姆之間。對于D1,可以選1000V、電流在1.5A及以上的整流橋,另外整流橋能承受的沖擊電流(規格書中有說明)應大于實際電路中的沖擊電流。

  圖3 外圍電路

  4 試驗結果與分析

  為驗證理論分析和計算的正確,選取MORNSUN的LH25-10B05來進行測試。在輸入電壓220Vac,負載4A的條件下,LH25-10B05的掉電保持時間為76.8ms,波形如圖5所示;按電路外接100uF/400V輸入濾波電容后,電源的掉電保持時間增加到249ms,波形如圖6所示。試驗結果與理論計算結果吻合。

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