利用电源芯片VB409的无变压器供电电源设计

利用电源芯片VB409的无变压器供电电源设计,第1张

利用电源芯片VB409的无变压器供电电源设计

由于安放位置的限制,很多MCU应用系统要求体积很小。因此在设计该类MCU应用系统时,电源的设计就是非常重要的考虑方面。VB409是一款采用导通角技术、无变压器的+5 V和+16 V双输出开关电源芯片,输入可以与110/220 V交流电整流后直接相连,非常适合于那些要求体积小的MCU应用系统。

关键词 VB409 无变压器电源 导通角技术 AT89C55

  在小型的MCU应用系统中,采用AC 220 V供电时,一般要使用变压器对电源进行处理,将高压交流电降到低压后再进行直流处理,或者将交流电变为高压直流电后再进行高频变换,以得到MCU系统的工作电源。这对于结构没有特殊要求的系统,在设计上属于常规的问题,使用上述的线性电源技术或者开关电源技术,均能得到方便的解决。但是有些MCU应用系统在体积上要求极其小巧,甚至不能安放变压器,所以常规的电源处理就不能满足其要求了。因此,使用能够直接接收高压交流电并将其直接变换成低压直流的技术,是最佳的设计选择。VB409的出现有望实现这一设计思路。

1  VB409概述

  VB409是ST公司推出的电源处理产品。其PENTAWATT HV(022Y)封装形式的产品大小与普通TO220封装的7805相近,只是引出脚为5个;还有一种PowerSO10封装的产品是10脚表面贴装式IC。输入端可以直接接入AC 220 V,且输入端允许的最高输入电压为AC 580 V。输出部分有2个: 一个是最终输出OUTPUT1,为+5 V;另一个是芯片的中间输出OUTPUT2,典型值为16 V。对负载的供电能力为:OUTPUT1最大为80 mA,OUTPUT2最大为25 mA。图1为VB409的内部结构图[1]。

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图1  VB409内部结构图

  VB409采取的是导通角技术,即在交流电的一个周期中,根据负载的电流大小,自动调整每个周期的导通时间。也就是说,只在每个正周期的低压部分,从电源吸收电能,因此极大地降低了功耗,电流输出能力是线性电源的3倍。其工作波形如图2所示。

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图2  VB409的工作波形

  从图1中还可以看出,VB409还有输入、输出电流的限制和热保护功能。其作用在于: 一方面当输出短路时限制电流的输出;另一方面当过载时关断芯片。

  需要说明的是,OUTPUT1的输出范围为4.75~5.25 V,典型值为5 V,负载电流每增大1 mA,对输出影响为0.5 mV,精度是比较高的;而OUTPUT2的输出范围为8~16 V。因此,OUTPUT2的输出比较适合于作为继电器一类的驱动电源使用。如果想作为放大器的工作电源,则需要再进行一次降压式稳压。

2  VB409构成的电源系统

  图3为VB409组成的电源电路。

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图3  VB409组成的电源电路

  图3中,D1实现半波整流,C2为涤纶电容,C3为高压电解电容,R1、R2为金属膜1/4 W电阻,C1耐压为25 V。

  图1中,Vref1的电压为12 V左右,Threshold端的电压高于Vref1将关断输入向输出的传送,Threshold端的工作电流最小为30 μA。因此,R1与R2之和决定工作电流,R1与R2之比确定加在Threshold端的最高电压。图2中,t1、t2所处的位置对应的输入电压V1即关断的门限电压值。这个值的大小为: V1=Vref1。

  V1是变化的交流电,变化规律为:

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  在这里,将VIN等比例缩小至V1,可以提高期间的工作可靠性。

  当输入电压为AC 220 V,Threshold端的工作电流约为120 μA时,R1+R2=1.86 MΩ。按此参数设置,当输入电压为AC 60 V时,Threshold端的工作电流约为30 μA,还能够正常工作。同理,适当配置R1和R2的值,还可以确定输入电压的有效范围,VB409允许最小输入电压可至12 V。C1值的确定参见图1和图2。

  C1提供输入短路关断时维持输出电路的电压,同时提供OUTPUT2较为稳定的输出。由于充、放电时间变慢,C1的值越大,OUTPUT2的输出电压值越低,但是能够提供较大的输出电流;反之,C1的值小,充、放电时间越快,OUTPUT2的输出电压值也就越高,但是能够提供的输出电流变小。一般C1的值在47~220 μF之间选择,典型值为100 μF。

3  实例MCU应用系统

  使用VB409为主电源供给MCU应用系统,在设计之前,应首先估算系统的5 V电源的总功耗。计算时要将灌电流、拉电流一并计算。

  图4为笔者设计的一个典型应用系统的原理图。图4为测量电能并在LCD上显示的MCU应用系统。CPU采用AT89C55WD,最大耗电量为20 mA(若采用STC89C58RD+,则耗电量可降至9 mA左右);LCD选用SO12864,采用COG式,连同背光最大耗电为20 mA;功率/电能计量芯片CS5460的最大耗电量为5 mA,加上复位、键盘等最大耗电量小于50 mA;继电器输出没有画出,耗电量为12 mA。因此,完全可以使用VB409供电,且系统体积小,完全可以放置在LCD背后。

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图4  一个典型应用系统原理图

结语

  由于没有变压器,因此就失去了电流的绝缘,所以采用VB409作为供电电源,要用在对电流绝缘没有要求的场合,例如洗衣机、中央供热、功率计量等。对于需要电流绝缘的场合,需在供电输入端加一个1∶1的小型隔离变压器,因为输入功率低,所以变压器的尺寸可以做得比较小,同时变压器的输出还可以使用电阻分压后再输入到VB409中。

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