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

發(fā)布時(shí)間:2010-9-1 09:04    發(fā)布者:techshare
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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)的噪聲。



4.7 PWM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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。
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