如何设计具有最少组件的有限电源工业 ACDC 电源 - 第 1 部分

这篇文章将解释限功率电源 (LPS) 要求的基本细节，以及如何使用 UCC28740 初级侧稳压 (PSR) 反激控制器优化反馈环路，以减少高功率密度工业DIN导轨电源。

工业设备中的 DIN 导轨电源

电源设计人员的职责越来越超出仅仅满足产品的功能规格。最新一代产品需要在过流、过压、短路和有限功率输出等各种工作条件下保持稳健和安全。

为了满足使用工业电源供电的设备的安全要求，在所有操作环境（包括正常条件、负载瞬态条件和严重输出故障条件）中精确限制电流和功率非常重要。此外，电压应超过某些限制，以防止最终用户受到电击。限制功率、电流和电压还有许多相关的好处，包括减少输出互连的线规、减少下游转换器的组件应力、降低系统成本和提高系统可靠性。

IEC - 国际电工委员会IEC 60950-1 和国家电气规范(NEC)等安全标准定义了这些电压、电流和功率限制。

例如，IEC 60950-1 在标准的第 2.5 条中涵盖了电源的 LPS 要求，如表 1 所示。IEC 60950-1 的第 2.5 条的表 2B 阐明了电源对电流和视在功率的限制。不使用外部过流保护，例如固有限制源。

表 1：IEC60950 对不带过流保护装置的电源的限制

图 1 是表 1 的图形表示。

图 1：UL60950 受限电源电路的图形视图

同样，NEC 还制定了有关最大可能电压、电流和功率的指南，以管理商业建筑和住宅区的布线和设备安装。

在本系列的下一部分中，我将用最少的组件解释保护实现。

本博客的第一部分讨论了有限电源 (LPS) 的基本需求，并简要概述了管理 LPS 电路的标准。

为了满足保护和限制的需求，如图 1 所示的传统电源依赖于基于两个或多个光耦合器的多个反馈回路。这些光耦合器将负载电压、负载电流和开路故障信息传输到主控制器——通常是功率高达 150W 的反激式控制器。此外，电流检测电路具有外部电流检测电阻、用于放大和设置恒流-恒压 (CC-CV) 的精密运算放大器和恒功率反馈回路。总体而言，分立电路具有大量组件，会占用板上宝贵的空间并增加系统成本。

图 1：典型框图显示了 100W 工业电源的传统架构

图 2 显示了具有减少反馈回路的建议设计架构。该架构使用 UCC28740，这是一款 CC-CV 反激式控制器，具有用于电压的光电耦合反馈和用于恒流的初级侧调节 (PSR)。UCC28740 控制器中控件的高度集成有助于实现低组件数设计并降低成本。

图 2：减少反馈回路的建议设计架构

这种提议的架构的两个主要好处是：

· 精确的电流和功率限制，只需初级侧感应。在图 1 所示的传统方法中，输出负载电流通过分立运算放大器电路进行检测，并通过光耦合器传输到主控制器。在某些情况下，额外的光耦合器用于反馈冗余。输出负载电流被直接检测，信息通过一个单独的光耦合器电路反馈到反激控制器。另一方面，所提议的架构使用具有成本效益且可靠的初级侧电流感测。UCC28740 中嵌入的精密 PSR 电流检测技术可实现高精度的输出电流限制。电流限制会导致电压折返并确保严格的功率限制。

· 经济高效的开环保护和反馈冗余。图 1 所示的传统方法使用两个反馈环路，这两个环路都基于光耦合器。这些光耦合器及其相关电路的相同性质带来了额外的故障风险；在类似的应力条件下，每个光耦合器都可能同时失效，这可能是有害的。

建议的架构使用单个光耦合器反馈精密输出电压控制。PSR 电路提供了一个冗余的电压控制回路。PSR 在开环条件下激活，例如光耦合器反馈网络中的故障。因此，输出电压被限制并调节到由初级侧反馈组件设置的值。

具有精密电压、电流和功率限制的60W、24V 高效工业电源 突出了精密电流和电压限制的性能结果。图 3 和图 4 显示了用于精密电流调节和电源折返的参考设计板的结果。

图 3：精密 CC-CV 操作

图 4：精密电源折返特性