增加AC－DC电源掉电保持时间的简单方法

引言
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。