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摘要

在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，常規(guī)AC-DC開(kāi)關(guān)直流電源的掉電保持時(shí)間無(wú)法滿足要求，而超長(zhǎng)掉電保持時(shí)間的開(kāi)關(guān)電源在市場(chǎng)上十分少見(jiàn)。為滿足這些特殊應(yīng)用場(chǎng)合的需求，本文從理論上分析了決定掉電保持時(shí)間的因素，并提出了一種簡(jiǎn)單的通過(guò)外圍電路來(lái)增加掉電保持時(shí)間的方法。

ACDC開(kāi)關(guān)電源有一項(xiàng)重要的技術(shù)參數(shù)——掉電保持時(shí)間，指從AC掉電到輸出電壓下降到精度范圍(通常是-2%)之外的時(shí)間差⊿t，如圖1所示。通俗地講，就是開(kāi)關(guān)電源在沒(méi)有輸入后，輸出還能撐多久。

很多情況下，系統(tǒng)在檢測(cè)到AC掉電后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、傳輸，對(duì)執(zhí)行器的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置等等。因此，在AC掉電后，開(kāi)關(guān)電源還需要能持續(xù)給系統(tǒng)提供電源一段時(shí)間，以保證系統(tǒng)可靠關(guān)閉。另外，在有UPS的系統(tǒng)中，從市電切換到UPS供電的過(guò)程中，也需要開(kāi)關(guān)電源能維持正常輸出。

掉電保持時(shí)間的決定因素

常規(guī)ACDC開(kāi)關(guān)電源原理框圖如圖2所示，AC輸入經(jīng)過(guò)整流濾波后，變成一個(gè)直流電壓(有一定的紋波電壓)，再通過(guò)DCDC變換器轉(zhuǎn)換成我們所需要的電壓輸出。控制電路可根據(jù)輸入電壓和輸出負(fù)載來(lái)調(diào)整占空比(PWM模式)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。在AC輸入掉電后，由輸入濾波電容存儲(chǔ)的能量給輸出供電，在這個(gè)過(guò)程中，濾波電容電壓逐漸下降，控制電路通過(guò)調(diào)整占空比依然可以實(shí)現(xiàn)額定的輸出電壓，直到電容電壓下降到控制電路能調(diào)整的范圍之外時(shí)，輸出電壓開(kāi)始下降。

圖2  開(kāi)關(guān)直流電源原理框圖

我們通過(guò)舉例來(lái)說(shuō)明決定掉電保持時(shí)間的因素。假設(shè)一款Vo=5V、Po=20W、效率為η=0.78的產(chǎn)品，DC-DC部分可正常工作的最低電壓Vin_min=100V，電源內(nèi)部輸入濾波電容Cin=47uF。假設(shè)標(biāo)稱220Vac輸入整流濾波后的電壓為直流電壓(實(shí)際有一定紋波)，其值Vin_nor=308V，根據(jù)能量守恒有下式：

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

代入數(shù)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(chǎn)品效率成正比，而與輸出功率、DC-DC部分最低工作電壓成反比。

在實(shí)際的工程環(huán)境中，輸入電壓是固定的。對(duì)某一款具體的AC-DC電源產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，內(nèi)部輸入濾波電容Cin、DC-DC部分最低工作電壓Vin_min、效率η都已無(wú)法改變，所以，電源本身的掉電保持時(shí)間無(wú)法改變。通過(guò)外圍調(diào)整，也無(wú)法改變產(chǎn)品的Vin_min和η，唯一能調(diào)整的是在電源前端再接一級(jí)整流濾波，外接的濾波電容與電源內(nèi)部的輸入濾波電容是并聯(lián)關(guān)系，等效增加了Cin，增加了掉電保持時(shí)間。

如果電源前端加的濾波電容取100uF/400V，則掉電保持時(shí)間在之前的基礎(chǔ)上增加165.7ms。如果電源工作在半載條件，則掉電保持時(shí)間可以再增加一倍，如表1所示。

表1  掉電保持時(shí)間與輸入電容、負(fù)載關(guān)系表

輸出電容對(duì)掉電保持時(shí)間的影響

在上述條件下，我們?cè)儆?jì)算一下通過(guò)增加輸出電容Co來(lái)延長(zhǎng)掉電保持時(shí)間的效果。假設(shè)：輸出電壓精度是±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(shù)值可得：⊿t1=1ms。

我們發(fā)現(xiàn)，輸出40000uF的電容延長(zhǎng)掉電保持時(shí)間僅有1ms!由此可見(jiàn)增加輸出電容對(duì)掉電保持時(shí)間的影響微乎其微。

推薦外圍電路

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(kāi)關(guān)電源的L、N上。C1要根據(jù)實(shí)際負(fù)載、輸入電壓以及所需要的保持時(shí)間來(lái)確定，沒(méi)有明確的推薦值。由于增加了C1，開(kāi)機(jī)沖擊電流會(huì)增大，R1可以用來(lái)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(duì)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(guī)格書(shū)中有說(shuō)明)應(yīng)大于實(shí)際電路中的沖擊電流。

圖3 外圍推薦電路

試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證理論分析和計(jì)算的正確性，選取MORNSUN的LH25-10B05來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在輸入電壓220Vac，負(fù)載4A的條件下，LH25-10B05的掉電保持時(shí)間為76.8ms，波形如圖5所示;按推薦電路外接100uF/400V輸入濾波電容后，電源的掉電保持時(shí)間增加到249ms，波形如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合。

結(jié)束語(yǔ)

本文理論分析了開(kāi)關(guān)電源掉電過(guò)程，推導(dǎo)出了掉電保持時(shí)間的計(jì)算公式;根據(jù)公式找到了通過(guò)外接電路來(lái)增加掉電保持時(shí)間的途徑。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。該方法實(shí)施簡(jiǎn)單，對(duì)增加掉電保持時(shí)間效果顯著，具有很強(qiáng)的工程指導(dǎo)意義。