利用電源芯片VB409的無變壓器供電電源設(shè)計(jì)

由于安放位置的限制，很多MCU應(yīng)用系統(tǒng)要求體積很小。因此在設(shè)計(jì)該類MCU應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，電源的設(shè)計(jì)就是非常重要的考慮方面。VB409是一款采用導(dǎo)通角技術(shù)、無變壓器的+5 V和+16 V雙輸出開關(guān)電源芯片，輸入可以與110/220 V交流電整流后直接相連，非常適合于那些要求體積小的MCU應(yīng)用系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 VB409 無變壓器電源 導(dǎo)通角技術(shù) AT89C55

　　在小型的MCU應(yīng)用系統(tǒng)中，采用AC 220 V供電時(shí)，一般要使用變壓器對電源進(jìn)行處理，將高壓交流電降到低壓后再進(jìn)行直流處理，或者將交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾笤龠M(jìn)行高頻變換，以得到MCU系統(tǒng)的工作電源。這對于結(jié)構(gòu)沒有特殊要求的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上屬于常規(guī)的問題，使用上述的線性電源技術(shù)或者開關(guān)電源技術(shù)，均能得到方便的解決。但是有些MCU應(yīng)用系統(tǒng)在體積上要求極其小巧，甚至不能安放變壓器，所以常規(guī)的電源處理就不能滿足其要求了。因此，使用能夠直接接收高壓交流電并將其直接變換成低壓直流的技術(shù)，是最佳的設(shè)計(jì)選擇。VB409的出現(xiàn)有望實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)思路。

1? VB409概述

　　VB409是ST公司推出的電源處理產(chǎn)品。其PENTAWATT HV（022Y）封裝形式的產(chǎn)品大小與普通TO220封裝的7805相近，只是引出腳為5個(gè)；還有一種PowerSO10封裝的產(chǎn)品是10腳表面貼裝式IC。輸入端可以直接接入AC 220 V，且輸入端允許的最高輸入電壓為AC 580 V。輸出部分有2個(gè)： 一個(gè)是最終輸出OUTPUT1，為+5 V；另一個(gè)是芯片的中間輸出OUTPUT2，典型值為16 V。對負(fù)載的供電能力為：OUTPUT1最大為80 mA，OUTPUT2最大為25 mA。圖1為VB409的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[1]。

圖1? VB409內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　VB409采取的是導(dǎo)通角技術(shù)，即在交流電的一個(gè)周期中，根據(jù)負(fù)載的電流大小，自動(dòng)調(diào)整每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間。也就是說，只在每個(gè)正周期的低壓部分，從電源吸收電能，因此極大地降低了功耗，電流輸出能力是線性電源的3倍。其工作波形如圖2所示。

圖2? VB409的工作波形

　　從圖1中還可以看出，VB409還有輸入、輸出電流的限制和熱保護(hù)功能。其作用在于： 一方面當(dāng)輸出短路時(shí)限制電流的輸出；另一方面當(dāng)過載時(shí)關(guān)斷芯片。

　　需要說明的是，OUTPUT1的輸出范圍為4.75～5.25 V，典型值為5 V，負(fù)載電流每增大1 mA，對輸出影響為0.5 mV，精度是比較高的；而OUTPUT2的輸出范圍為8～16 V。因此，OUTPUT2的輸出比較適合于作為繼電器一類的驅(qū)動(dòng)電源使用。如果想作為放大器的工作電源，則需要再進(jìn)行一次降壓式穩(wěn)壓。

2? VB409構(gòu)成的電源系統(tǒng)

　　圖3為VB409組成的電源電路。

圖3? VB409組成的電源電路

　　圖3中，D1實(shí)現(xiàn)半波整流，C2為滌綸電容，C3為高壓電解電容，R1、R2為金屬膜1/4 W電阻，C1耐壓為25 V。

　　圖1中，Vref1的電壓為12 V左右，Threshold端的電壓高于Vref1將關(guān)斷輸入向輸出的傳送，Threshold端的工作電流最小為30 μA。因此，R1與R2之和決定工作電流，R1與R2之比確定加在Threshold端的最高電壓。圖2中，t1、t2所處的位置對應(yīng)的輸入電壓V1即關(guān)斷的門限電壓值。這個(gè)值的大小為： V1=Vref1。

　　V1是變化的交流電，變化規(guī)律為：

　　在這里，將VIN等比例縮小至V1，可以提高期間的工作可靠性。

　　當(dāng)輸入電壓為AC 220 V，Threshold端的工作電流約為120 μA時(shí)，R1+R2=1.86 MΩ。按此參數(shù)設(shè)置，當(dāng)輸入電壓為AC 60 V時(shí)，Threshold端的工作電流約為30 μA，還能夠正常工作。同理，適當(dāng)配置R1和R2的值，還可以確定輸入電壓的有效范圍，VB409允許最小輸入電壓可至12 V。C1值的確定參見圖1和圖2。

　　C1提供輸入短路關(guān)斷時(shí)維持輸出電路的電壓，同時(shí)提供OUTPUT2較為穩(wěn)定的輸出。由于充、放電時(shí)間變慢，C1的值越大，OUTPUT2的輸出電壓值越低，但是能夠提供較大的輸出電流；反之，C1的值小，充、放電時(shí)間越快，OUTPUT2的輸出電壓值也就越高，但是能夠提供的輸出電流變小。一般C1的值在47～220 μF之間選擇，典型值為100 μF。

3? 實(shí)例MCU應(yīng)用系統(tǒng)

　　使用VB409為主電源供給MCU應(yīng)用系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之前，應(yīng)首先估算系統(tǒng)的5 V電源的總功耗。計(jì)算時(shí)要將灌電流、拉電流一并計(jì)算。

　　圖4為筆者設(shè)計(jì)的一個(gè)典型應(yīng)用系統(tǒng)的原理圖。圖4為測量電能并在LCD上顯示的MCU應(yīng)用系統(tǒng)。CPU采用AT89C55WD，最大耗電量為20 mA（若采用STC89C58RD+，則耗電量可降至9 mA左右）；LCD選用SO12864，采用COG式，連同背光最大耗電為20 mA；功率/電能計(jì)量芯片CS5460的最大耗電量為5 mA，加上復(fù)位、鍵盤等最大耗電量小于50 mA；繼電器輸出沒有畫出，耗電量為12 mA。因此，完全可以使用VB409供電，且系統(tǒng)體積小，完全可以放置在LCD背后。

圖4? 一個(gè)典型應(yīng)用系統(tǒng)原理圖

結(jié)語

　　由于沒有變壓器，因此就失去了電流的絕緣，所以采用VB409作為供電電源，要用在對電流絕緣沒有要求的場合，例如洗衣機(jī)、中央供熱、功率計(jì)量等。對于需要電流絕緣的場合，需在供電輸入端加一個(gè)1∶1的小型隔離變壓器，因?yàn)檩斎牍β实停宰儔浩鞯某叽缈梢宰龅帽容^小，同時(shí)變壓器的輸出還可以使用電阻分壓后再輸入到VB409中。