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保护芯片基础上设计24V交流到5V直流的开关电源

2020-12-04 15:58 行业新闻 已读

  如果我们在工作中发现产品的电源是24V交流,并且产品的内部核心控制电路是5V,3.3V,3.8V和其他低压电源,则必须设计一个开关电源,以提供24V交流到5V直流的转换,我们如何设计这款开关电源?又如何控制设计过程中产生的浪涌电流,从而保护芯片?

  一、开关电源结构

  根据上述要求,开关电源电路由整流电路,滤波电路和DC-DC电路组成。整流电路将24V交流电转换为脉冲直流电,滤波电路通过平滑直流电过滤脉冲直流电,而DC-DC电路将直流电转换为5 V直流电,供控制电路使用。整流滤波电路由集成的整流桥和滤波电容器组成。 DC-DC电路使用TI的LMR14030芯片,最高输入电压为40V,输出电流为3.5A,电源启动时间为2ms。根据TI工具提供的用于开发电源的外围电路参数,设计了以下电路图:

保护芯片基础上设计24V交流到5V直流的开关电源

  该电路已经过测试,并且多次上电后出现LMR14030芯片在上电时已烧坏情况。对情况进行初步分析后,应该是由于上电时浪涌电流过大导致芯片烧坏。

  开关电源浪涌电流为什么会出现?在加电时,电容器C21的电压不能突然改变,从而产生大的充电电流。根据由一阶电路的零状态响应模块建立的一阶线性不均匀方程,可以确定电流的初始值等于通过使滤波电路短路而获得的电流值。该电流通常称为输入浪涌电流,它是在滤波电容器首次充电时产生的。它的大小取决于启动时输入电压的幅度以及由桥式整流器和电解电容器形成的环路的整体电路。

  该电路输入AC 24 V,整个网络的内部电阻(包括整流桥和滤波电容器)Rs = 1欧姆。当输入波形达到90度时接通电源时,浪涌电流的峰值达到I = 24 x 1.414 / 1 = 33.9A。尽管该浪涌电流非常短,但如果不加以抑制,则会缩短输入电容器和整流桥的寿命。浪涌电流对电容器充电后,会产生浪涌电压。此过高的电压会损坏后续的DC-DC芯片。 24 V交流电源的实际测量峰值电压为38.4 V,整流电压为35V。下面显示了电源打开时电容器C21正极的实际测量峰值浪涌电压。

保护芯片基础上设计24V交流到5V直流的开关电源

  可以看出,上电时C21的最大电压已达到42V,而LMR14030芯片的最大输入电压为40V,证明了浪涌电压已经损坏了芯片。

  二、抑制浪涌电流及DC-DC芯片的保护方案

  该电路的主要问题是LMR14030芯片烧坏。烧坏的原因是开机时过压。最简单的解决方案是切换到高压输入LMR16030芯片。该芯片的最大输入电压为60V。本电路打算继续使用LMR14030芯片开始抑制浪涌电流。上述原理图中的LMR14030具有软启动功能,可以抑制电涌电压对芯片的影响,提供的软启动电容器为C2510nF,启动时间为2ms,前端滤波电容器的浪涌电压持续时间为2ms。因此,LMR14030的软件启动时间不合理。将C25更改为22nF,将软启动时间更改为5ms,以避免滤波电容器的浪涌电压。经过大量测试,LMR14030芯片在打开后没有烧坏。

  更改LMR14030的软启动时间将防止芯片烧坏。但是,仍然有可能来自前端滤波电容器的电压大于40V。为了使整个电路可靠运行,请增加浪涌电流抑制并降低Fil终端电容器充电电流降低了浪涌电压,可以通过在整流桥的前端串联NTC电阻NTC10D-13消除浪涌电压。 为了节省空间,该电路使用10欧姆电阻代替NTC。 以下是滤波电容器的实际测试电压(黄色曲线)和LMR14030输出的5V电压(蓝色曲线)。

保护芯片基础上设计24V交流到5V直流的开关电源

  从以上测试可以看出,添加一个NTC电阻会减小浪涌电流并增加充电时间。 接通电源时,滤波电容器的最大电压仅为32.8V,电压大大降低,达到了真正保护DC-D​​C芯片的目的。

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