假设您在电动汽车 (EV) 充电上有一个电力监控应用,其中辅助电源需要多个输入选项:三相或单相交流电,或是高压或低压直流电。此外,充电应用需要能够产生双极 (±10V) 输出电压,来为校准电流、电压传感器和放大器供电
(图 1).
图1:通用交流或直流电源的EV充电系统
您查看制造商的数据表之后,发现具有这种特殊输入和输出电压组合的标准产品并不存在。接下来您可以做些什么?您需要开始破解您的 AC/DC!
技巧 #1: 使用降压二极管
低功率 AC/DC 转换器通常不提供可调节输出电压。原因很简单:24 至 5V 隔离 DC/DC 转换器可以用匝数比为 5:1 的变压器,然而一个同等的 230VAC 有效值输入到 5V 输出的 AC/DC 转换器则需要匝数比为 65:1 的变压器。这是因为整流后的交流电压远远高于输出电压。AC/DC 转换器的控制回路经过优化可尽力补偿宽范围的输入电压(通常为 85-264VAC)来输出固定电压。如果输出电压也可调节,最坏情况下的输入/输出电压组合加上高匝数比很容易使转换器变得不稳定。
所有这些调节方法都需要平衡的负载来提供相同的输出电压。如果负载不平衡,它们之间就会有所不同。调节整体输出电压的优点是负轨和正轨的总和保持固定,而如果只是调节正输出或负输出那只能保证该电轨上的变化会较小。所以没有通用的解决方法两全其美。
如果使用开关稳压器对输出进行后调节,如图 4所示,两个输出电压在所有负载组合中都保持稳定,甚至在空载/满载条件下也是如此。
在输出端使用开关稳压器还有另一个优点:它们提供恒定功率。输出电压越低,输出电流越大。如果在图 4的示例中,稳压输出调整至 ±3.3V,那么只要总负载小于 5W,单个电源轨的最大输出电流可高达 1.5A。这远高于 AC/DC 的标称 416mA 输出电流。这点很有用因为大多数的多轨应用的其中一个电轨需要比其他更多的功率(主负载 + 辅助负载),但使用开关稳压器时就没问题。例如在图 4 中,在所有输出电压都经过严格调节的情况下 +12V @ 0.1A、+3.3V @ 1A 和 -3.3V @ -0.15A是可能的。
到目前为止,我们只考虑过如何延伸应用 AC/DC 模块的输出,但如果我们想使用替代电源的话呢? 这就来到了技巧 #3。
技巧 #3: AC/DC 输出上的外部直流电源
在一些特定的现场应用中需要同时使用 AC 和 DC 电池电源,或者其中一个。
如图 7所示,如果有一个外部直流电源连接到关闭的 AC/DC 转换器的输出端,输出二极管 Dout 将阻止外部电流回到变压器的输出绕组。
然而分流稳压器 IC1 仍在电路之中。如果外部电压超过并联稳压器的设定点,它将导通并开始通过光耦合器 LED 馈送电流。
由于 AC/DC 转换器并未启动,因此没有机制可以控制光耦合器的电流,这种情况下光电 LED 很容易烧坏。因此并不建议在 AC/DC 转换器的输出端直接连接外部电压。
解决方案可以考虑使用两个 OR-ing 二极管来引导较高的电源电压用于后端应用,而不让两个电源相互影响 (图 8).
虽然这种技巧很简单但是有两个很大的缺点。第一个是输出电压总是比电源电压低一个二极管的压降。第二个是随着电流负载的增加,二极管的功耗会变得很大(在
图 8所示的示例中是 3.5W)。这意味着需要较大功率且昂贵的二极管,同时可能还要额外的散热。此外,二极管 D2 浪费的功率也会损害电池寿命。
更好的方法是使用一个理想二极管 IC,例如德州仪器 (Texas Instruments) 的 LM71300,因为它集成了 FET可以实现非常紧凑的解决方案
(图 9)。
这个解决方案还有另一个优势:欠压锁定 (UVLO) 的功能可以保护电池免受深度放电的影响,同时 dVdt 控制能保护应用免受电池的高浪涌电流的影响。此外,Imon 输出可以用来监控两个电源的负载电流。
图 9:交流或直流电池供电设备的理想二极管 IC 控制器
技巧 #4: 交流相位冗余
到目前为止的技巧都关注在输出端。这是合理的,因为交流电源是一种危险电压应该谨慎对待。 然而回到我们在开头提到的 EV 充电器规格,它应该可以与单相、多相或高压直流电源一起使用,因此以下的技巧着重在输入端。
图 10 所示的半波整流三相输入电路有大约 1.17 x Vphase的整流直流电压,或者在标称 230V 单相电压时大约为 270V。这对标准的 230V±10% 输入 AC/DC 转换器来说非常高,却可以被能在高达 277VAC(115VAC 电源的相间电压)下运行的 AC/DC 转换器所接受。图 10 所示的电路使用输入保险丝以在二极管发生故障时保护三相电源,同时使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 来吸收可能损坏转换器的高电压浪涌。MOV 是非强制性的因为转换器本身有保险丝,但根据当地的接线法规可能需要使用。输入二极管必须具有适当的反向电压额定值。
技巧 #5: 输出接地
由于 AC/DC 转换器是隔离的,因此低压直流输出与主电源浮接(电气隔离),可用来提供正电源或负电源。例如,通信电源总线电压为 -48VDC,将 +Vout 引脚连接到 0V 并将 –Vout 引脚用作电源轨之后就可以由任何 48V 或 ±24V 输出的 AC/DC 供电。
对一些应用来说,将其中一个输出引脚接地是有利的或是非做不可的。乍看之下这似乎是一件很简单的事,很像前面提到的通信电源应用。但是 AC/DC 电源的规定并不仅仅有关安全性,还必须考虑到 EMC 的因素。任何流过绝缘电容的循环电流或感应电流都会引起干扰,导致最终应用无法通过 EMC 测试。此外,将输出接地几乎可以保证引起这种非预期的电流回路。例如,对Class B 设备来说即使是几十微安的回路电流也会影响测试结果而不能达标。