增加AC-DC电源掉电保持时间的一般方法

魍乞垓

摘要
摘要：在一些特殊的应用场合，常规AC-DC开关电源的掉电保持时间无法满足要求，而超长掉电保持时间的开关电源在市场上十分少见。为满足这些特殊应用场合的需求，本文从理论上分析了决定掉电保持时间的因素，并提出了一种简单的通过外围电路来增加掉电保持时间的方法。
ACDC开关电源有一项重要的技术参数——掉电保持时间，指从AC掉电到输出电压下降到精度范围(通常是-2%)之外的时间差⊿t，如图1所示。通俗地讲，就是开关电源在没有输入后，输出还能撑多久。
很多情况下，系统在检测到AC掉电后，需要对数据进行保存、传输，对执行器的状态进行设置等等。因此，在AC掉电后，开关电源还需要能持续给系统提供电源一段时间，以保证系统可靠关闭。另外，在有UPS的系统中，从市电切换到UPS供电的过程中，也需要开关电源能维持正常输出。

图1 掉电保持时间示意图

1 掉电保持时间的决定因素

常规ACDC开关电源原理框图如图2所示，AC输入经过整流滤波后，变成一个直流电压(有一定的纹波电压)，再通过DCDC变换器转换成我们所需要的电压输出。控制电路可根据输入电压和输出负载来调整占空比(PWM模式)以实现稳定的电压输出。在AC输入掉电后，由输入滤波电容存储的能量给输出供电，在这个过程中，滤波电容电压逐渐下降，控制电路通过调整占空比依然可以实现额定的输出电压，直到电容电压下降到控制电路能调整的范围之外时，输出电压开始下降。

图2  ACDC开关电源原理框图

我们通过举例来说明决定掉电保持时间的因素。假设一款Vo=5V、Po=20W、效率为η=0.78的产品，DC-DC部分可正常工作的最低电压Vin_min=100V，电源内部输入滤波电容Cin=47uF。假设标称220Vac输入整流滤波后的电压为直流电压(实际有一定纹波)，其值Vin_nor=308V，根据能量守恒有下式：
0.5*Cin*(Vin_mor2-Vin_min2)=⊿t*Po/η……(1)
代入数值可得：⊿t=77.9ms。
从上式可以看到，⊿t与输入电容、AC输入电压、产品效率成正比，而与输出功率、DC-DC部分最低工作电压成反比。
在实际的工程环境中，输入电压是固定的。对某一款具体的AC-DC电源产品来说，内部输入滤波电容Cin、DC-DC部分最低工作电压Vin_min、效率η都已无法改变，所以，电源本身的掉电保持时间无法改变。通过外围调整，也无法改变产品的Vin_min和η，唯一能调整的是在电源前端再接一级整流滤波，外接的滤波电容与电源内部的输入滤波电容是并联关系，等效增加了Cin，增加了掉电保持时间。
如果电源前端加的滤波电容取100uF/400V，则掉电保持时间在之前的基础上增加165.7ms。如果电源工作在半载条件，则掉电保持时间可以再增加一倍，如表1所示。
表1  掉电保持时间与输入电容、负载关系表



2 输出电容对掉电保持时间的影响

在上述条件下，我们再计算一下通过增加输出电容Co来延长掉电保持时间的效果。假设：输出电压精度是±2%，则输出电压下限Vo1=4.9V、Co=40000uF，则有：
0.5*Co*(Vo2-Vo12)=⊿t1*Po……(2)
代入数值可得：⊿t1=1ms。
我们发现，输出40000uF的电容延长掉电保持时间仅有1ms!由此可见增加输出电容对掉电保持时间的影响微乎其微。

3 推荐外围电路

如图3所示，外围电路的输入端接市电，输出可等效为直流电源，接在ACDC开关电源的L、N上。C1要根据实际负载、输入电压以及所需要的保持时间来确定，没有明确的推荐值。由于增加了C1，开机冲击电流会增大，R1可以用来减小该冲击电流，可以选择3W的绕线电阻，阻值大致在2~7.5欧姆之间。对于D1，可以选1000V、电流在1.5A及以上的整流桥，另外整流桥能承受的冲击电流(规格书中有说明)应大于实际电路中的冲击电流。

图3 外围推荐电路

4 试验结果与分析

为验证理论分析和计算的正确性，选取MORNSUN的LH25-10B05来进行测试。在输入电压220Vac，负载4A的条件下，LH25-10B05的掉电保持时间为76.8ms，波形如图5所示;按推荐电路外接100uF/400V输入滤波电容后，电源的掉电保持时间增加到249ms，波形如图6所示。试验结果与理论计算结果吻合。

5 结语

本文理论分析了开关电源掉电过程，推导出了掉电保持时间的计算公式;根据公式找到了通过外接电路来增加掉电保持时间的途径。通过实际测试，验证了理论计算的正确性。该方法实施简单，对增加掉电保持时间效果显著，具有很强的工程指导意义。