中国邮政集团公司上海研究院的研究人员余飞,在2018年第3期《电气技术》上撰文,设计了一种用于智能电器的小功率开关电源,阐述了该开关电源的方案选择和工作原理,电设计、变压器设计以及对EMC的设计考虑。经试验,该电源达到了设计要求,成本低、体积小、电磁兼容性较好,具有较高的应用价值。

随着经济社会的快速发展,电力供应的环保、高效、安全和可靠越来越成为工业界和学术界关注的热点,智能电网成为能源工业发展的新趋势。智能电器是智能电网非常重要的组成部分,对支撑智能电网的发展需要,提高电力设备自身的性能起到了重要的作用。新世纪以来,各种智能电器层出不穷,而作为智能电器的核心部件,智能控制器的功能也在不断增强[1]。

在智能电器控制器的研制中,电源是其中的重要组成部分,其性能的好坏直接关系到整个控制器工作的稳定性。而智能电器又具有量大面广、功能多、产品体积小、一般应用在电气较为恶劣的场合等特点,这样就对开关电源稳定性、成本、可靠性等提出了更高的要求[2]。

智能控制器电源一般取至主回或外部控制电源。本文所需电源主要设计要求为85～265V AC/DC宽电压输入,一5V/100mA输出供维持控制器的正常工作,一24V/50mA供外部IO模块或通信电使用。总体输出功率约为1.7W。

在低成本AC/DC多输出结构中,一种较常见的结构是在高电压输出端采用低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）来获到低电压。但是在本方案中,由于24V和5V之间压差较大,若采取从24V一通过线V一输出,将会使得电源整体效率较低,LDO器件发热量较大,影响控制器整体工作的稳定性。

另一种比较常见的结构是基于Flayback结构的反激式开关电源,该结构转换效率高,能实现多输出,但缺点是电磁兼容性较差、元件较多,成本也比较高,并不适合结构紧凑、应用恶劣的智能电器控制器,也不利于降低成本[3][4]。

考虑到控制器的体积和成本,选用非隔离降压型（BUCK）拓扑结构来实现该开关电源是一种比较可行的方式。BUCK型开关电源是一种经典的开关电源结构,尤其在DC/DC电中应用广泛,在AC/DC中也比较常见,但在多输出AC/DC中应用不多。

本文采用的多输出的BUCK结构就是采用耦合电感（CouplingInductance）的方式获得双输出,作为BUCK结构的一个变种,其原理如图1所示。当MOS开关S闭合时,Vin给电感L、电容C1充电；当S闭合时,电感L放电,向C2充电,为副边提供能量。这样就较好的解决了BUCK结构多输出的问题。此外,Vout2和Vout1及市电隔离,有利于提高Vout2回的抗干扰能力[5]。

如上文所述,电源要求电压范围较宽,待机功耗较小,以节约电能,同时尽可能的减小电源体积,降低成本。在这一要求下,设计方案采用意法半导体（ST Semiconductor）公司的VIPer12A。芯片原理框图如图2所示。

3）在轻负载下电进入自动突发模式(Automatic burst mode)。此时,MOS管开通时间会变得很短,以致要丢失几个开关周期才出现脉冲；

4）VDD脚电压范围很宽,为9-38V。芯片有过温、过流、过压功能,并能自动再启动；而在过压时,则工作在打嗝模式(Hiccup mode)。

开关电源电原理图如图3所示。电源电压通过C1整流后,流经VIPer12A的源级（D）、漏极（S）。芯片通过对内置MOSFET的开关操作,使得高频变压器T1原边和副边持续不断进行充放电操作。

24V通过原边输出,5V由副边输出。电通过D3、D4、C3组成的回来为芯片提供反馈,从而保持输出电流、电压的稳定性。R1为24V端的负载电阻,可以在24V输出端开时提供稳定的环,有利于5V的稳定输出。

在小功率情况下,一般我们希望开关电源工作在非连续导通模式（DCM,Discontinuous Conduction Mode）模式,相比连续导通模式（CCM,Continuous Conduction Mode）模式,DCM模式工作更稳定,闭环响应会更好,电感量也较小,从而减小了变压器的体积[6]。

高频变压器的设计是整个开关电源设计的关键。先假设电工作在临界导通模式（BCM,BoundryConduction Mode）模式,计算在该模式低压满载情况下的电感量。

经实际测量,如图3所示,在C1取4.7uF,输入交流电压不变的情况下,C1上的脉动直流电压的变化为20～30V,且随着输入的交流电压值的升高,变化范围越小。

表1为在额定负载下输入电压在85~265V/AC变化时输出电压的变化情况,24V输出的线V输出的线 额定负载下输入电压变化时输出电压

考虑到电输出功率较小,我们采用安规电容X2和差模电感组成的一阶EMI滤波电。L、N进线端加压敏电阻以防止雷击浪涌。相对与相同功率输出的FlyBack结构的开关电源,该电源EMC电简单,器件的数量较少,取值也较小。

在PCB布局上,如图5所示,通过减少电源电的高频交流回和输出回的的面积来减少电磁干扰。功率部分与控制信号部分要用不同的接地层,并通过单点连接,以最大程度的减少功率回对信号控制部分的干扰。同时,在芯片的漏极铺铜,以降低芯片的工作温度。

开关电源顺利通过了雷击浪涌实验,通过了射频传导发射试验且相对标准值有较大裕量,如图6所示。此外还结合控制器通过了静电放电、电快速瞬变脉冲群和辐射发射等试验,符合GB14048.1-2012标准,证明该电源有较好的电磁兼容性。

经测试,5V、24V两输出电压在85～265VAC的输入电压范围内均能稳定正常输出,误差在±5%之内,通过了长时间的老化试验,符合设计要求。

该电源元件数量少且无特殊元器件,物料成本仅为10元左右,适合对体积有较高要求的紧凑型控制器,性价比较高。该电源不仅适用于智能电器,也适用于其他有相同需求的控制器产品。