一款基于电源芯片VB409的无变压器供电电源设计

只看该作者 · 2020-2-21 22:36

一款基于电源芯片VB409的无变压器供电电源设计

在小型的MCU应用系统中，采用AC 220V供电时，一般要使用对电源进行处理，将高压交流电降到低压后再进行直流处理，或者将交流电变为高压直流电后再进行高频变换，以得到MCU系统的工作电源。这对于结构没有特殊要求的系统，在设计上属于常规的问题，使用上述的线性电源技术或者开关电源技术，均能得到方便的解决。但是有些MCU应用系统在体积上要求极其小巧，甚至不能安放变压器，所以常规的电源处理就不能满足其要求了。因此，使用能够直接接收高压交流电并将其直接变换成低压直流的技术，是最佳的设计选择。VB409的出现有望实现这一设计思路。 VB409概述 VB409是ST公司推出的电源处理产品。其PENTAWATTHV(022Y)封装形式的产品大小与普通TO220封装的7805相近，只是引出脚为5个；还有一种PowerSO10封装的产品是10脚表面贴装式IC。输入端可以直接接入AC 220 V，且输入端允许的最高输入电压为AC 580 V。输出部分有2个：一个是最终输出OUTPUT1，为+5V；另一个是芯片的中间输出OUTPUT2，典型值为16 V。对负载的供电能力为：OUTPUT1最大为80 mA，OUTPUT2最大为25mA。图1为VB409的内部结构图。

图1 VB409内部结构图

VB409采取的是导通角技术，即在交流电的一个周期中，根据负载的电流大小，自动调整每个周期的导通时间。也就是说，只在每个正周期的低压部分，从电源吸收电能，因此极大地降低了功耗，电流输出能力是线性电源的3倍。其工作波形如图2所示。

图2 VB409的工作波形

从图1中还可以看出，VB409还有输入、输出电流的限制和热保护功能。其作用在于：一方面当输出短路时限制电流的输出；另一方面当过载时关断芯片。

需要说明的是，OUTPUT1的输出范围为4.75～5.25 V，典型值为5 V，负载电流每增大1 mA，对输出影响为0.5mV，精度是比较高的;而OUTPUT2的输出范围为8～16V。因此，OUTPUT2的输出比较适合于作为继电器一类的驱动电源使用。如果想作为放大器的工作电源，则需要再进行一次降压式稳压。 VB409构成的电源系统图3中，D1实现半波整流，C2为涤纶电容，C3为高压电解电容，R1、R2为金属膜1/4 W电阻，C1耐压为25 V。图 1中，Vref1的电压为12V左右，Threshold端的电压高于Vref1将关断输入向输出的传送，Threshold端的工作电流最小为 30μA。因此，R1与R2之和决定工作电流，R1与R2之比确定加在Threshold端的最高电压。图2中，t1、t2所处的位置对应的输入电压V1 即关断的门限电压值。这个值的大小为： V1=Vref1。

图3 VB409组成的电源电路

V1是变化的交流电，变化规律为：

在这里，将VIN等比例缩小至V1，可以提高期间的工作可靠性。当输入电压为AC 220 V，Threshold端的工作电流约为120 μA时，R1+R2=1.86 MΩ。按此参数设置，当输入电压为AC 60 V时，Threshold端的工作电流约为30 μA，还能够正常工作。同理，适当配置R1和R2的值，还可以确定输入电压的有效范围，VB409允许最小输入电压可至12V。C1值的确定参见图1和图 2。 C1提供输入短路关断时维持输出电路的电压，同时提供OUTPUT2较为稳定的输出。由于充、放电时间变慢，C1的值越大，OUTPUT2的输出电压值越低，但是能够提供较大的输出电流;反之，C1的值小，充、放电时间越快，OUTPUT2的输出电压值也就越高，但是能够提供的输出电流变小。一般C1的值在47～220 μF之间选择，典型值为100 μF。实例MCU应用系统使用VB409为主电源供给MCU应用系统，在设计之前，应首先估算系统的5 V电源的总功耗。计算时要将灌电流、拉电流一并计算。

图4 一个典型应用系统原理图

图 4为本文的一个典型应用系统的原理图。图4为测量电能并在LCD上显示的MCU应用系统。CPU采用AT89C55WD，最大耗电量为20 mA(若采用STC89C58RD+，则耗电量可降至9 mA左右);LCD选用SO12864，采用COG式，连同背光最大耗电为20mA;功率/电能计量芯片CS5460的最大耗电量为5 mA，加上复位、键盘等最大耗电量小于50 mA;继电器输出没有画出，耗电量为12mA。因此，完全可以使用VB409供电，且系统体积小，完全可以放置在LCD背后。

由于没有变压器，因此就失去了电流的绝缘，所以采用VB409作为供电，要用在对电流绝缘没有要求的场合，例如洗衣机、中央供热、功率计量等。对于需要电流绝缘的场合，需在供电输入端加一个1∶1的小型隔离变压器，因为输入功率低，所以变压器的尺寸可以做得比较小，同时变压器的输出还可以使用电阻分压后再输入到VB409中。