ACDC前端电源设计系统级考虑

AC/DC前端电源设计-系统级考虑

1索引:设计检查表1

充分理解输入源的特性2

启动、热重启及浪涌时需要考虑的涌流电流大小3

是否需要功率因数校正？4

没有PFC时的不利影响5A

被动PFC5B

主动PFC6

三相电源注意事项7瞬态（Transients)和浪涌(Surge)的区别8

线路干扰抑制、分流或串联的方法9分流干扰抑制10串联干扰抑制11

前端UV/OV锁定、突涌／浪涌的后级

DC-DC锁定12

重启定时器、故障保护2索引:设计检查表13

后级

DC-DC转换器的稳定性注意事项14

共振15

线频阻尼、大型滤波器组件16

高频阻尼、（瞬态）寄生元件17

AC泄漏电流18

DC母线上的共模电压19

不同输入源对漏电流的影响20

前端电源输出端口的故障电流21

保险装置22

工作温度和器件的选择23

安全性、接地、DC母线放电、接触电压和温度24

遥测，保证SELV25

Hipot注意事项3AC-DC前端注意事项：

了解系统

如果充分了解了AC前端的工作条件，设计AC前端就会变得相对简单未来设计可能有一些新的未知情况需要考虑总是使用检查表执行全面检查41AC-DC前端注意事项：

了解系统除了稳态，整个工作范围，还需要考虑以下问题

必须检查：接通、断开线路压降线路浪涌瞬态传导噪声，如AC线路上的大型逆变器等电容器等组件的老化效应高温工作温度和低温工作温度环境，如湿度和振动安全、保险装置、内部电压放电、触温故障研究：……时，会怎样，输出会短路吗？……过温？等等……51涌流电流注意事项

必须控制涌流电流大小，因为高的峰值电流会使断路器跳闸，引起线路扰动高峰值电流可能会使开关触点熔合NTC热敏电阻器可以用来限制涌流，但在快速重启情况（如线路压降期）时就会失效。使用PTC热敏电阻

加上短路以及逻辑控制电路。控制逻辑应包含UV及OV锁定输入电源经常性掉电重启，如线路连接松散，则应使用定时器控制电路重启时间和频次，防止损坏后级转换器必须在涌流期间保持关断62是否需要功率因数校正？政府管理机构通常有PFC的要求查看需要达到的标准/法规并不是所有的设计都需要PFC以下情况下可以省略设计主要目标是简化系统

低成本设计在不使用PFC时，一些隐藏的成本电源配电变压器的发热和接线可以采用主动或者被动方式来提高功率因数73没有PFC造成的不良影响以及原因整流器／电容器前端功率因数差，是由于电流随时间的非线性流动造成的与L负载或C负载下电流的相移不同低功率因数阻碍了电源的充分利用，因为必须根据峰值电流（而不是RMS）调整其大小电流脉冲的高频率含量会引起铁芯变压器过热由于三角一次绕组和磁路对3阶（三倍）谐波起捕捉作用，因此会导致三角／Y变压器过热三相系统中的中线会出现过热的情况，因为中线电流的抵消能力有限84被动PFC

被动：电感与整流器串联，以降低dI/dt非常简单的解决方案，但很笨重PFC校正能力有限由电感电流滞后

来实现功率因数矫正在设备无法修改情况下的一种好的解决方案适用于单相及三相系统标准目录电感器是用于该用途的现成解决方案，用%阻抗表示，典型值为：1.5%、3%和5%95A主动PFC

使用与线路串联的升压转换器，将保持电容器充电到超过线路峰值的电压这样AC线路就不能直接给该电容器充电，其只能通过增加升压转换器提供的输出高电压来充电控制电路不仅可监控AC线路电压，而且还可将这作为AC线路电流波形的模板将输入电流与模板进行比较

并对升压变换器进行调制，使电流波形与电压相位一致105B三相电源注意事项

应尽可能使用三相电源来做DC电源整流DC无过零整流后的DC电压范围从VPK到0.866VPK只需要很小的电容，除非需要特别的保持时间和高频率滤波旁路在工业环境中，线路上的压降、浪涌、瞬态和噪声可能很严重AC线路可与焊接设备、感应加热器、硬开关电机驱动器共享在办公室或数据中心环境中不常见116瞬态和浪涌的区别综上所述，这就是峰值电压与峰值电压持续时间的关系瞬态（Transients）：短期事件、通常在峰值电压下较高，而且电源阻抗较高就属性而言，可能是共模，也可能是差模浪涌（Surge）：持续时间长、电压峰值低、电源阻抗低大多数情况下都是差分电压127线路干扰的抑制方法瞬态：对于瞬态衰减，通常采用分流保护方法瞬态抑制级多数情况下总是先于浪涌保护级，以防止其免受高压瞬态的影响瞬态钳位电压设置必须始终小于预期的浪涌电压浪涌：较长的持续时间，必须串联元件在电路中，才能将浪涌电压降低到一个可以接受的水平138线路干扰抑制的分流方法在AC线路上直接添加一个瞬态抑制组件Z1通常有金属氧化物压敏电阻(MOV)或双向瞬态电压抑制器(TVS)其额定电压始终大于VSURGE

Z1必须是合乎规范的安规器件必须计算峰值功率，

防止损坏该器件C1增加了瞬态衰减，

但其主要目的是做EMI的抑制和衰减C2、C3、C4、C5的功能与C1相似，但它们的值要小很多，以防止AC到大地的漏电流超标这些电容器有助于衰减共模瞬态149Z1、C1C2、C3C4、C5线路干扰抑制的串联方法将Q1加上控制电路串联在整流桥之后的DC母线上。该元件不仅会降低其上的浪涌电压，而且可以对输出有个最高电压的过压钳位保护。必须精确计算该器件消耗的峰值功率，才能保持工作在SOA内如果浪涌持续，则可能会超过Q1的SOA应该使用关闭定时器来禁用器件，以防止出Q1损坏15浪涌控制电路10前端监控电路增加对前端的智能控制和监控，可保护前端不受终端环境中已知或未知的各种工作条件的影响如果前端暴露在有害的工作条件下，控制电子器件将进行保护性关闭并在回复正常之后，按顺序重启。监控的参数可以包括：UV锁定：欠压锁定可在输入电压低于指定值时让前端关断，它通常会在初始接通时运行一次，然后在关闭时再次运行。确保有足够的回滞，以便前端在因稳压和纹波增加而应用负载时不会关闭OV锁定：过压锁定可在输入电压高于指定值时让前端关闭。如果经常进入OV锁定状态，则应检查AC电源。确保有足够的回滞，因为OV事件应该很少遇到，而且在重新启动下级转换器之前，必须保证输入的正常恢复1611前端监控电路监控的参数可能包括：重启定时器：将防止前端在故障条件清除的预定时间内重新打开，特别是在AC电源掉电并迅速恢复时特别有用。该定时器将防止前端遭受涌流事件及瞬态的损坏。温度监控器：将在温度过高或过低的情况下，提供关闭功能。可能包括对监控系统的早期预警。输出过流保护：将在输出电流超过预设值时提供关断功能。1712前端在DC-DC转换器负载情况下的稳定性一般情况下，前端的输出阻抗应该不超过所连接负载阻抗的1/10需要考虑的频率范围为从DC到所连接DC-DC负载的转折频率的2倍必须密切关注前端的自谐振频率，典型的问题区域在低kHz范围内谐振L/C槽包括前端滤波器组件内及其前面的所有布线电感，以及所有差分输出母线电容器之和如果前端是有源PFC设计，则必须进行单独的研究，因为前端包含两个控制环路：在线路频率附近的电流控制环路，以及通常在线路频率1/10-1/5处的输出电压控制环路1813共振前端必须考虑做好阻尼除必须使用外，避免使用高品质组件；有源电源处理组件例外前端不仅可在其固有频率下共振，而且还可通过多个电源激发前端通常有多个谐振槽电路例如，EMI旁路电容器和布线电感共振可由以下情况激发：在连接至前端的输入电源线上存在AC线路干扰。在DC-DC转换器的输出端反射的开关负载，这些负载可反射至DC-DC转换器的输入端。DC-DC转换器输出端的开关负载频带受DC-DC转换器转折频率限制。DC-DC转换器的开关作用在开关频率下有很强的差分分量，在谐振频率下分量较弱。然而，转换器内的快速dV/dt或dI/dt包含的频谱成分高于开关频率，而且可能与开关频率无关。1914线频阻尼

在选择前端电源处理组件时，应选择线路频率损耗相对较低的组件，但要确保其阻尼良好，以防共振在AC线路电压应用或移除时、在线路压降时或在线路断断续续连接时，欠阻尼滤波器和线路反应器

会引起很大的电压偏移对于所示的输入滤波器，

R1和R2为差分电感器L1和L2提供阻尼2015

高频阻尼

前端可在AC线路纹波或所连接DC-DC转换器负载的开关频率以外的频率下显示共振这种共振将对传导发射性能产生负面影响AC线路整流时，DC母线峰值纹波的共振是由不连续电流引起的谐振槽是因线路电感以及分布在电源转换电路中的高Q值的薄膜电容器21无阻尼前端DC输出母线的响应增加的旁路电容；请注意

共振频率下移，振幅略高添加至旁路电容器的串联阻尼电阻

16AC漏电流

前端及连接的负载往往具有在AC线路与接地之间连接的EMI抑制电容器（如下列C2、C3、C4和C5）AC接地漏电流的大小取决于：输入电压接地总电容连接至L1和L2/N的电源的接地配置2217DC母线输出端的前端共模电压除了前端输出的差分DC电压外，还有一个AC共模分量AC共模电压是非正弦的，阻抗很低这就是前端DC输出不用大地做参考的原因，除非电源是浮动的。欧洲和中国最常见的230VAC使用电压和美国最常见的120VAC使用电压波形相同，只是幅值和频率不同23

18不同电源配置下，DC母线上的AC电压在输出端提供各种电压的常见电源配置实例，有更多……2419前端电源输出端口的故障电流

前端通常有三个

低阻抗源

为了安全起见，必须加以考虑：正负输出端之间出现的差分DC电压正输出与接地间的共模AC电压负输出与接地间的共模AC电压2520保持电容器与AC线路并联，因此DC总线具有强大的短路电流能力，如果发生故障，可提供数千安的电流共模AC故障电流能力是由

AC线路的阻抗决定正负输出为接地带来的故障很少见，但必须考虑其影响美国住宅或商业照明电源，仅AC线路的故障电流能力就可达3KA

至5kA范围住宅应用的断路器和配电设备最大额定电流一般是10kA，可提供2:1的安全裕度保险装置

选择正确的保险丝对生命财产安全至关重要除非有使用备选解决方案的良好工程依据，否则必须遵循组件或设备制造商关于保险丝的建议使用备选解决方案，需要通过安全机构测试认证保险丝选择的基础决不能仅仅考虑成本或供货情况必须以性能为基础，才能带来全面保护注意事项：保险丝额定电压必须超过应用电压保险丝的额定熔断电流必须超过电源的“短路故障”额定值在DC电源上使用时，必须根据规格书选用合适的DC通流值的保险丝考虑保险丝的I2t额定值，快速熔断保险丝和慢速熔断保险丝有明显的区别快熔及慢熔特征因保险丝制造商不同而不同，请查看产品说明书考虑工作温度，保险丝会随温度降额保险丝不能用于液体中，如惰性液2621工作温度和器件的选择器件的选择对产品使用寿命至关重要器件在接近最高工作温度下工作，会缩短其使用寿命与在所有温度下工作的薄膜电容器或陶瓷电容器相比，电解电容器等器件在高温下会迅速降级，而且使用寿命有限器件规格会随温度变化而变化，额定温度为-55℃的部件在较低温度下也可以使用，但是标称规格已经降级到影响设计的程度考虑器件的成本以及组件发生故障时的成本，器件层面成本的少量增加，可能会显著降低使用周期成本谨慎添加新器件及厂商，验证性能2722安全及一般注意事项

由于应用的多样性以及满足这些需求有多种可能的设计，在使用设备时必须考虑到尽可能多的可能性规划一种全新的设计时，应进行安全审查，以帮助考虑