第七节　整流滤波的选择

输入整流/滤波电路在开关电源中不被人重视。典型的输入整流/滤波电路由三到五个门路组成:EMI滤波器、启动浪涌电流限制器、浪涌电压抑制器、整流级(离线应用场合)和输入滤波电容。许多交流输入离线式电源要求有功率因数校正(PFC)电路。直流和交流应用场合的典型输入整流/滤波电路见图2-51。

图2-51　典型的交流和直流输入整流/滤波电路

一、输入整流器

对离线式开关电源而言,首先是选择输入整流器,这些整流器由普通二极管组成,如1N400X整流管。要考虑的主要参数是:正向平均电流I_O,浪涌电流I_FSM,直流击穿电压V_R,预期的耗散功率P_D。在电路启动时,正常的电流脉冲对已经完全放电的输入滤波电容进行充电,使电容的端电压跳变,从而引起的浪涌电流有可能比平均输入电流有效值的10倍还大。在EMI滤波器后面一般接一个热敏电阻,以保护整流器。热敏电阻低温时的阻值在6~12Ω之间,启动后,热敏电阻被加热,加热后的阻值大约只有0.5~1Ω。

通过输入整流器的平均电流是热计时要考虑的。没有功率因数校正的整流器的实际波形,峰值电流有可能是通过二极管平均直流电流的5倍。这会使整流器发热更加严重。为了对这种情况进行补偿,可以选电流等级更高的二极管来减小通态压降,从而减少发热量。总之,最小的二极管等级要符合下面条件:

V_R≥1.414V_in(p-p)(max)

I_F≥1.5I_in(DC)(max)

I_FSM≥5I_F

这些应用场合使用的典型二极管如下:

如果电流:<1A:　　　IN400X

　　　　<1.5A:　　 IN539X

　　　　<3A:　　　 IN540X

　　　　<6A: 　　　MR75X

接下来的步骤就是要计算输入滤波电容的大小。设计者要先确定电源直流输入端能承受多大的电压纹波。要想电压纹波越小,电容就要选得越大,这样上电时的电流浪涌也更大。滤波电容的选择有三个主要方面要考虑:能满足期望电压纹波的电容值,电容的额定电压,电容的额定纹波电流。

对于交流离线式变换器,纹波电压一般设计为输入交流电压峰值的5%~8%。对于DC-DC变换器纹波电压峰值设计为0.1~0.5V。输入纹波电容的大小可以从下式得到:

C_in=

式中　　f_in——离线式电源输入交流电压最小额定频率;

V_in——交流输入整流电压的最小峰值;

V_riple(p-p)——输入端得到的电压纹波峰峰值。

电容的额定电压如下:

(离线式)V_W>1.8V_in(RMS)

(DC-DC)V_W>1.5V_in(max)

二、滤波电路设计

在交流离线式变换器中,输入滤波电容用铝电解电容。应用表明,对于交流侧危险的环境中应用,它们比其他种类的电容器更加可靠。电容的最后选择主要取决于预计的工作温度范围、电容品质和电容尺寸。

DC-DC变换器的输入电容要求比较严格。这种变换器产生的纹波电流频率为开关频率,而且纹波通常比较大。如果对电容选择不当,这些电流会在输入电容内部产生热量,从而缩短它的工作寿命。这要求输入滤波电容的ESR小,纹波电流定额高。在电源中,功率开关管上看到的整个电流波形是从电容上流入流出。输入端由于串了电感,不能提供开关管所要的高频电流脉冲。输入电容在以低频方式从输入端充电,并以高频方式向开关管放电方面起着重要的作用。因而完全可把功率开关管所需的电流看成是由输入滤波电容提供的。

设计者要把从功率开关管上观察到的电流波形转化成最坏情况的RMS值(有效值)。把三角形或梯形的电流波形转化成RMS值时,与波形的峰值和占空比有关。在估计RMS值时,可以把波形拆分成RMS值已知的比较简单的波形。比如,梯形波可以看成是矩形波和基角波的叠加。而矩形波的RMS最大值是峰值的50%(占空比为50%)时,三角波RMS最大值是峰值的33%。最后把分别估计的RMS值加起来就是最坏情况下总的RMS值。

一般来说,无法找到一个可以把电源的所有电流纹波都吸收的电容,所以通常可以考虑用两个或更多电容(n个)并联,每个电容值为计算所得电容值的1/n。这样流入每个电容的纹波电流就只有并联的电容个数分之一(1/n),每个电容就可以工作在低于它的最大额定纹波电流下。输入滤波电容上一般要并上陶瓷电容(约0.1μF),以吸收纹波电流的高频分量。

输入滤波的前级是EMI滤波器,这个电感流过的是相对较大的直流电流,并且要防止高频开关噪声进入输入电源端。

用于这种功能的电容要用高频特性好的高压薄膜电容或陶瓷电容,这些电容的容值在0.005~0.1μF之间。同时要注意电容的工作电压。离线式变换器要经过常规的测试,测试中给变换器加上额外的电压。这种测试叫做绝缘耐压测试,也就是“HIPOT”。任何加在输入电源线和大地地线(绿色的线)间的电容都要能承受这个电压。U_L标准的测试电压是有效值1700V(直流2500V),V_DE、I_EC和C_SA测试电压是有效值2500V(直流3750V)。为了通过欧共体的测试标准,这些产品要用特殊的电容,这些电容要先通过测试后再用到EMI滤波器上。

浪涌抑制部分要放在EMI滤波电感后,但在整流器(离线式)和输入滤波电容(直流输入)前,所有浪涌抑制器都要用EMI滤波电感的串联阻抗来防止超过它们额定的瞬时能量。电感极大地减小了瞬时电压峰值,并在时间上把它延长,这样提高了抑制器的工作寿命。应注意的是,不同的浪涌抑制器技术所串联的内部电阻特性也不一样。金属氧化物变阻器(MOV)导通的时候,阻值非常高,而半导体浪涌抑制器的电阻值比较低。发生浪涌时,抑制器的电阻值会影响到加在它上面的额外电压。例如,180V金属氧化物变阻器,瞬时电压可以上升到230V。在选择输入电容和浪涌抑制器时,还是要考虑的。金属氧化物变阻器较便宜,但经过若干次高能冲击后性能劣化,产生比较大的漏电流。抑制器的阈值电压要比电源规定的最大输入电压还高,这样在正常工作时才不会导通。例如对110E UQT WFHGR LWTY,CEIPS ET 180~200V的阈值电压。