一種輸出電壓4～16V開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1　引言

在科研、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常用到電壓在5～15V，電流在5～40A的電源。而一般實(shí)驗(yàn)用電源最大電流只有5A、10A。為此專門開發(fā)了電壓4V～16V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40A的開關(guān)電源。它采用了半橋電路，所選用開關(guān)器件為功率MOS管，開關(guān)工作頻率為50kHz，具有重量輕、體積小、成本低等特點(diǎn)。

2　主要技術(shù)指標(biāo)

1）交流輸入電壓AC220V±20％；
2）直流輸出電壓4～16V可調(diào)；
3）輸出電流0～40A；
4）輸出電壓調(diào)整率≤1％；
5）紋波電壓Up?p≤50mV；
6）顯示與報(bào)警具有電流/電壓顯示功能及故障告警指示。

3　基本工作原理及原理框圖

該電源的原理框圖如圖1所示。

220V交流電壓經(jīng)過EMI濾波及整流濾波后，得到約300V的直流電壓加到半橋變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率MOS管，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在次級(jí)得到準(zhǔn)方波電壓，經(jīng)整流濾波反饋控制后可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。

4　各主要功能描述

4.1交流EMI濾波及整流濾波電路
交流EMI濾波及整流濾波電路如圖2所示。

電子設(shè)備的電源線是電磁干擾（EMI）出入電子設(shè)備的一個(gè)重要途徑，在設(shè)備電源線入口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑，本電源濾波器由帶有IEC插頭電網(wǎng)濾波器和PCB電源濾波器組成。IEC插頭電網(wǎng)濾波器主要是阻止來自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源機(jī)箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。
交流輸入220V時(shí)，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時(shí)，則適用于110V交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯飽和損壞功率器件，造成高壓電解電容使用壽命降低等。所以在整流橋前加入由電阻R1和繼電器K1組成的輸入軟啟動(dòng)電路。
4.2半橋式功率變換器
該電源采用半橋式變換電路，如圖6所示，其工作頻率50kHz，在初級(jí)一側(cè)的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35電容器。Q4和Q5交替導(dǎo)通、截止，在高頻變壓器初級(jí)繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值為U1/2的正負(fù)方波脈沖電壓。能量通過變壓器傳遞到輸出端，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。
4.3功率變壓器的設(shè)計(jì)
1）工作頻率的設(shè)定
工作頻率對(duì)電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開關(guān)損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性價(jià)比等因素，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本例為fs=50kHz。
T=1/fs=1/50kHz=20μs
2）磁芯選用
①選取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)
選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線空間大，接線操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
②確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm
R2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.47T，考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降，同時(shí)為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm=1/3Bs=0.15T。
③計(jì)算并確定磁芯型號(hào)
磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為

式中：η——效率；
j——電流密度，一般取300～500A/cm2；
Kc——磁芯的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體Kc=1；
Ku——銅的填充系數(shù)，Ku與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān)，一般為0.1～0.5左右。

由廠家手冊(cè)知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,則SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于計(jì)算值，選定該磁芯。
3)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)
按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時(shí)占空比最大）來計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2×176=211.2V。
對(duì)于半橋電路、功率變壓器初級(jí)繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，設(shè)最大占定比Dmax=0.9，則

次級(jí)匝數(shù)計(jì)算時(shí)取輸出電壓最大值Uomax=16V。次級(jí)電路采用全波整流，Us為次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓，Uo為輸出電壓，Uf為整流二極管壓降，取1V。Uz為濾波電感等線路壓降，取0.3V，則

4）選定導(dǎo)線線徑
在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）決定

式中：ω為角頻率，ω=2πfs；
μ為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率，對(duì)于銅線相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1，則μ=μ0×μr=4π×10－7H/m；
γ為銅的電導(dǎo)率，γ=58×10－6Ωm；
穿透深度Δ的單位為m。
變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度為Δ=0.2956mm，因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線。另外考慮到銅線電流密度一般取3～6A/mm2，故這里選用0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級(jí)共10匝，次級(jí)選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝。
4.4輔助電源的設(shè)計(jì)
輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見圖3。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓，輸出直流電壓為12.5V，輸出直流電流為0.5A。電路中Q8和變壓器初級(jí)繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩。R72為啟動(dòng)電阻。Q9、R77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過流保護(hù)。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構(gòu)成電壓檢測(cè)與穩(wěn)壓電路，控制Q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19、LP3材質(zhì)構(gòu)成。初級(jí)180匝，反饋繞組5.5匝，次級(jí)11匝，初級(jí)電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm。

4.5驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號(hào)，通過高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)功率MOS管。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，MOS管導(dǎo)通，在此期間Q7截止，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí)，則Q7導(dǎo)通，快速泄放MOS管柵級(jí)電荷，加速M(fèi)OS管截止。R70是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰，R68、D15、R67可以加速驅(qū)動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路。

4.6風(fēng)扇風(fēng)速控制電路
風(fēng)扇風(fēng)速控制電路見圖5。利用二極管正向管壓降隨溫度升高而呈下降趨勢(shì)的特性，將D9、D10做為散熱器溫度采樣器件。方法是將D9、D10兩二極管緊靠在散熱器上，當(dāng)散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時(shí)，運(yùn)放N2A正相輸入端電平降低，輸出低電平使三極管Q3開始導(dǎo)通，風(fēng)機(jī)上電壓升高，轉(zhuǎn)速升高，最終到達(dá)最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載較輕，使散熱器溫度低于50℃時(shí)，N2A輸出高電平，Q3不導(dǎo)通，輔助電源12.5V經(jīng)電阻R57降壓給風(fēng)機(jī)供電，風(fēng)機(jī)處于低速、低噪聲運(yùn)行狀態(tài)。此電路可以提高風(fēng)機(jī)工作壽命，增加電路可靠性，亦可在小負(fù)載情況下，減少風(fēng)機(jī)帶來的噪聲。

4.7PWM控制電路
控制電路采用通用脈寬調(diào)制器TL494，具有通用性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，見圖6。輸出電壓經(jīng)R40、RV2、RV1、R41進(jìn)行分壓采樣，經(jīng)R5阻抗匹配后送到TL494腳1。RV1裝在電源前面板上用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。R103和C14將輸出電感L1前信號(hào)采樣，經(jīng)R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度，消除L1對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性影響。
4.8過流保護(hù)電路
為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初、次級(jí)兩級(jí)過流保護(hù)。初級(jí)采用電流互感器CT1檢測(cè)初級(jí)變壓器電流，檢測(cè)出的電流信號(hào)經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后，再經(jīng)D2～D4，C9整流濾波后，經(jīng)過電位器RV3分壓，反相器N3反相后加在Q1管基極。當(dāng)初級(jí)電流超過正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn)，Q1管導(dǎo)通，將VREF=5V的高電平加在TL494腳4上（腳4為TL494死區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷），TL494關(guān)斷。
輸出直流總線上過流保護(hù)，采用R45～R56電阻做為采樣電阻，當(dāng)輸出電流增加時(shí)腳15電平變低，當(dāng)輸出電流大于40A的105％時(shí)，TL494的內(nèi)部運(yùn)放動(dòng)作，腳3電平升高，限制輸出脈寬增加，電源處于限流狀態(tài)。

5　結(jié)語(yǔ)
本文介紹的開關(guān)電源已成功地作為實(shí)驗(yàn)室電源、通信基站電源使用。其效率≥85％，紋波優(yōu)于30mVP?P，產(chǎn)品可靠性高、成本低，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。