利用電源芯片VB409的無變壓器供電電源設計

由于安放位置的限制，很多MCU應用系統要求體積很小。因此在設計該類MCU應用系統時，電源的設計就是非常重要的考慮方面。VB409是一款采用導通角技術、無變壓器的+5 V和+16 V雙輸出開關電源芯片，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應用系統。

關鍵詞 VB409 無變壓器電源 導通角技術 AT89C55

　　在小型的MCU應用系統中，采用AC 220 V供電時，一般要使用變壓器對電源進行處理，將高壓交流電降到低壓后再進行直流處理，或者將交流電變為高壓直流電后再進行高頻變換，以得到MCU系統的工作電源。這對于結構沒有特殊要求的系統，在設計上屬于常規的問題，使用上述的線性電源技術或者開關電源技術，均能得到方便的解決。但是有些MCU應用系統在體積上要求極其小巧，甚至不能安放變壓器，所以常規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，是最佳的設計選擇。VB409的出現有望實現這一設計思路。

1? VB409概述

　　VB409是ST公司推出的電源處理產品。其PENTAWATT HV（022Y）封裝形式的產品大小與普通TO220封裝的7805相近，只是引出腳為5個；還有一種PowerSO10封裝的產品是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： 一個是最終輸出OUTPUT1，為+5 V；另一個是芯片的中間輸出OUTPUT2，典型值為16 V。對負載的供電能力為：OUTPUT1最大為80 mA，OUTPUT2最大為25 mA。圖1為VB409的內部結構圖[1]。

圖1? VB409內部結構圖

　　VB409采取的是導通角技術，即在交流電的一個周期中，根據負載的電流大小，自動調整每個周期的導通時間。也就是說，只在每個正周期的低壓部分，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功能。其作用在于： 一方面當輸出短路時限制電流的輸出；另一方面當過載時關斷芯片。

　　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動電源使用。如果想作為放大器的工作電源，則需要再進行一次降壓式穩壓。

2? VB409構成的電源系統

　　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實現半波整流，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所處的位置對應的輸入電壓V1即關斷的門限電壓值。這個值的大小為： V1=Vref1。

　　V1是變化的交流電，變化規律為：

　　在這里，將VIN等比例縮小至V1，可以提高期間的工作可靠性。

　　當輸入電壓為AC 220 V，Threshold端的工作電流約為120 μA時，R1+R2=1.86 MΩ。按此參數設置，當輸入電壓為AC 60 V時，Threshold端的工作電流約為30 μA，還能夠正常工作。同理，適當配置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提供輸入短路關斷時維持輸出電路的電壓，同時提供OUTPUT2較為穩定的輸出。由于充、放電時間變慢，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? 實例MCU應用系統

　　使用VB409為主電源供給MCU應用系統，在設計之前，應首先估算系統的5 V電源的總功耗。計算時要將灌電流、拉電流一并計算。

　　圖4為筆者設計的一個典型應用系統的原理圖。圖4為測量電能并在LCD上顯示的MCU應用系統。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/電能計量芯片CS5460的最大耗電量為5 mA，加上復位、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，且系統體積小，完全可以放置在LCD背后。

圖4? 一個典型應用系統原理圖

結語

　　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、中央供熱、功率計量等。對于需要電流絕緣的場合，需在供電輸入端加一個1∶1的小型隔離變壓器，因為輸入功率低，所以變壓器的尺寸可以做得比較小，同時變壓器的輸出還可以使用電阻分壓后再輸入到VB409中。