AC-DC应用中实现偏置电源的原理与方案

偏置电源在电源中很重要。在电源内部，需要偏置电源给 IC 加电。在电源外部，可能需要偏置电源给系统中的 MCU 和／或其它局部电源加电。 很多低电压 IC（额定电压小于 100V DC）都将偏置电源集成到该 IC 内部。不过，对于 AC-DC 电源而言事情会变得更加复杂，因为现在需要处理高很多的输入电压。由二极管构成的整流电路，用来测量交流信号电压或把交流信号转换为直流信号时，其线性和精度均不理想。本电路使用了由OP放大器构成的绝对值电路，因为它由均化电容转换成输入信号的平均值，所以输入电压很小时，也能获得高精度。测量正弦波电压可以用其平均值表示，但测量脉冲波形用平均值则很难测得其很效值。

电路工作原理

OP放大器A1是放大倍数为10的AC放大器，需要多大的放大倍数，取决于输入信号的大小，放大倍数A可用A=1+（R3/R2）公式计算。A1的低频FL约为1.6HZ（FZ=1/2πC1.R2≈1.6），C1、C3也与低频有关。其容量均为10UF，因为用两个电容串联，所以总容量为5UF，它的FL约为0.5HZ。OP放大器A2、A3是标准的绝对值电路。A2是负输出半波整流电路，其输出与输入信号进行加法运算进行全波整流。加法电阻R6和R7的比例很重要，它们的比率是2：1，所以选用E系列中的150K、75K电阻。C4是均化电容，电容量必须根据输入信号的频率范围确定，如果容量太小，就会产生整流纹波；另一方面，输出响应也取决于C4，如果要进行快速测量，其容量也不能太大。输出是全波整流的平均值，对正弦波来说，等于峰值电压的2/π（0.636EI），应予注意。

频率上限受OP放大器高频特性的限制，配电路可达100KHZ。

应用注意事项

为了加快AC-DC转换电路的输出响应，C4取得较小，如要考虑纹波，把C4去掉，在本电路的输出端加一个12DB~24DB/OCT的低通滤波器，可取得良好的效果。

注释

绝对值电路的频率极限

使用OP放大器的整流电路或绝对值电路测量电平很低的信号，可以忽略二极管的正向压降，温度特性也很好，但是，由于其工作原理是利用OP放大器开环境增益极大这一特点，所以频率升高时，环路增益就会下降，使整流性能变坏。假定二极管的正向压降VF为1V，OP放大器的开环增益为A0，误差电压△E可用下式计算：△E=VF/A0

当A0=40DB时，△E=10MV，而通用OP放大器A0=40DB时，其频率是非常低的应予注意。

如果要提高精度，可根据上式减少VF值或选用高频时A0较大的OP放大器。

当不要求把绝对值输出转换成直流时，会存在波形合成问题，因为标准绝对值电路是将半波整流电路的输出与输入波形相加，而OP放大器有相位滞后，两者之间存在相位差，不能很好地进行波形合成。可以采取下面的办法加以改善：使用高速OP放大器，减少相位滞后；在输入信号通道加电容或低通滤波器，使相位对准。

偏置电源有几种设计方法。今天，我将介绍在 AC-DC 应用中实现偏置电源的3 种选项：线性、降压转换器或反激式转换器。

线性偏置电源 BJT 线性电路可提供一款组件数量最少的简单偏置电源解决方案。不过，使用该方案的主要缺点是效率低。

要使用通用 AC 输入（85VAC 至 264VAC）实现 12V/50mA 的偏置电源，需要为 R2 应用 2kΩ 的最大电阻器。即便使用串联电阻器，仍需补偿 BJT 上的损耗，在输入为 264VAC 时其可高达 5W。


反激式偏置电源

反激式转换器偏置电源是常用的偏置电源解决方案，不仅提供安全隔离，而且还能提供多个偏置输出。 由于采用一次侧稳压 (PSR) 技术，因此光耦合器和补偿电路可从反激式偏置电源中移除，同时还可保持 5% 的输出稳压。 有源钳位反激式解决方案的三大性能特色是： · 功率密度提高一倍：该芯片组可在高达1MHz的频率下实现高效运行，与目前的解决方案相比，可将尺寸缩小50％，而且功率密度更高。 · 高效率：多模态控制在满载情况下可实现高达95％的效率，待机功耗小于40mW，超过CoC Tier 2和美国能源部（DoE）VI级能效标准。对于75W以上的设计，工程师还可以将芯片组与新款6引脚功率因数校正（PFC）控制器UCC28056进行搭配。该控制器针对轻载效率和低待机功耗进行了优化，符合强制性国际电工技术委员会（IEC）61000-3-2 交流电流谐波限制规定。 · 简化设计：通过使用自适应零电压开关（ZVS）控制等功能，工程师可以通过结合电阻设置和自整定控制器，轻松设计系统。 John Stevens指出：“基于UCC28780和UCC24612芯片组实现的解决方案，能够减少50%的占用空间，在满负载情况下可以提供95%的效率。还有一个特点是待机功耗小于40mW，可以在全世界每一个地方都符合该地区的待机标准，现在中国也非常重视节能，这是一个很重要的性能指标。” 降压偏置电源 在电子仪表计量等特定应用中，无需隔离，而且反激式转换器中的定制变压器对于成本敏感型市场来说太贵。在这种情况下，降压转换器是实现低成本偏置电源解决方案的更好选项，因为使用的是标准电感器。此外，使用 PSR 控制器还可实现快速负载瞬态响应，因为 PSR 控制器具有逐周期电压传感特性。 对于需要低输出电压（9V 或更低）偏置电源的应用.

工作在这些功率水平的AC-DC电源需要某些类型的有源功率因数校正（PFC）。将功率半导体直接焊接到PCB板上然后再粘贴到底盘上，而不是使之绝缘并把它们用螺栓固定到底盘上。考虑到热粘贴材料的成本，整个组装成本将会下降。这也减少了电源的尺寸并减少了设备连接处温度约10摄氏度，从而可将平均无故障时间间隔大约增加一倍。对于AC-DC电源，一般把一个非隔离离线升压预转换器用作PFC级，其DC输出电压作为下游隔离DC- DC转换器的输入。

1. 1在尽可能宽的范围上获得最大效率。

2. 2.实现尽可能小的设计尺寸。

3. 3.散热器的使用和尺寸最小化。