輸出多種直流電壓的AC/DC電源模塊設(shè)計(jì)方案

摘 要：為了滿足某測(cè)試設(shè)備對(duì)多種直流電源的需求，提出了一種能夠輸出多種直流電壓的AC/DC 電源模塊設(shè)計(jì)方案。該電源模塊包含濾波整流電路、DC/DC 電路、過欠壓保護(hù)電路和光耦隔離電路等，介紹了部分電路的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)電源模塊的過欠壓保護(hù)功能和控制直流電壓輸出的方法進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模塊具有輸出電壓穩(wěn)定、精確度高、可控性好等特點(diǎn)。

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)的檢測(cè)要求越來越高，從而要求測(cè)試設(shè)備能夠提供高精度的準(zhǔn)確測(cè)試。要實(shí)現(xiàn)高精度的準(zhǔn)確測(cè)試，測(cè)試設(shè)備中的電壓信號(hào)經(jīng)過電路后要提供準(zhǔn)確的電壓值，這就對(duì)電源模塊的準(zhǔn)確度提出了很高的要求。

在某測(cè)試設(shè)備的研制過程中，為了完成測(cè)試任務(wù)，該設(shè)備需要多種直流電壓信號(hào)，并且要求能夠?qū)Σ糠蛛妷盒盘?hào)的輸出進(jìn)行控制。通過分析發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試設(shè)備提供給電源模塊的空間很小，且三路直流電壓輸出通過外部高低電平進(jìn)行控制，現(xiàn)有的電源模塊無(wú)法滿足這一需求;為了解決這一問題，設(shè)計(jì)了一種輸出電壓可控的直流電源模塊，用來為測(cè)試設(shè)備提供±12 V、+5 V、+9 V和+6 V 直流電壓信號(hào)輸出，同時(shí)能夠根據(jù)控制信號(hào)輸入端電壓的高低實(shí)現(xiàn)對(duì)±12 V 和+5 V 電壓信號(hào)的輸出控制，并具有過欠壓保護(hù)和六路光耦輸出控制等功能。該模塊的實(shí)現(xiàn)為需要以上直流電壓信號(hào)的測(cè)試設(shè)備提供穩(wěn)定可靠、高精度的電源，滿足了電壓可控的需求。

2 總體方案設(shè)計(jì)

該電源模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，可以看出，220 V交流電壓信號(hào)輸入后，首先經(jīng)過濾波電路模塊進(jìn)行濾波，然后分兩路實(shí)現(xiàn)交直流變換，一路直接經(jīng)過整流橋得到+300 V直流電壓信號(hào)，在通過DC/DC變換為±12 V和+5 V直流電壓信號(hào);另一路經(jīng)過10:1的變壓器降壓后再利用整流器進(jìn)行整流，得到23 V直流電壓信號(hào)，并分別利用直流電壓集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生+9 V和+12 V電壓，+9 V為基準(zhǔn)電壓源供電，與配套電路一起產(chǎn)生相應(yīng)的直流電壓信號(hào)用來作為控制電路中的基準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)為指示燈提供正電壓。控制保護(hù)電路主要分為控制電路和過欠壓保護(hù)電路，控制電路主要是用來實(shí)現(xiàn)對(duì)可控直流電壓的輸出控制，而過欠壓保護(hù)電路主要是用來實(shí)現(xiàn)對(duì)過欠壓保護(hù)，起到必要時(shí)保護(hù)三個(gè)DC/DC的作用。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

該模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)為AC/DC 電源模塊，輸入電壓為220 V/50 Hz 交流輸入，輸出直流電壓為±12 V、+5 V、+9 V 和+6 V.

(2)濾波整流電路。

為了濾除電路中的干擾，電源輸入端采用兩級(jí)濾波器SCHAFFNER 的FN 410-3/02,該濾波器的額定電流為3 A,最大工作電壓為250 V 交流，頻率為50/60 Hz,工作溫度為-25℃~+100℃，平均無(wú)故障時(shí)間為675000 小時(shí)。在該電源模塊中，由于每個(gè)穩(wěn)壓模塊、基準(zhǔn)源和直流電壓輸出端等都需要進(jìn)行濾波，因此多選用電解電容，電解電容值的選取從47 μF/25 V 到1000 μF/16 V 不等。

整流橋的選擇按照整流電路的不同分為兩種，一種是將220 V 交流整流為300 V 直流電路中，選用了KBPC 108 整流橋，其輸入電壓為50~1000 V、輸入電流為3 A,用來實(shí)現(xiàn)高壓整流。

另一種是低壓整流，在這個(gè)電路中，首先是將220V 交流電經(jīng)過10:1 的變壓器變壓后，采用整流橋進(jìn)行整流，輸出直流電壓為23 V.

(3)DC/DC 電路設(shè)計(jì)。

為了得到穩(wěn)定可靠的±12 V 和+5 V 直流電壓，在DC/DC 電路中，分別選用高可靠的DC/DC模塊實(shí)現(xiàn)低壓直流輸出。在低壓側(cè)，經(jīng)過整流后得到23 V 直流電壓，通過采用不同的集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)+9 V 和+12 V 輸出，在每個(gè)模塊的輸入輸出端分別加100 μF/25 V 和47 μF/25 V 的電解電容進(jìn)行濾波。在高壓側(cè)，產(chǎn)生三個(gè)±12 V 和+5 V 直流電壓，并且要求能夠通過外部接口輸入高低電平控制這三個(gè)電壓信號(hào)的輸出。故選用VICOR的VI-J61-IZ、VI-J61-IY 和VI-J60-IX 電源模塊實(shí)現(xiàn)±12 V 和+5 V 電壓輸出。這三個(gè)模塊的電源輸入端接300 V 直流電源，即可獲得高精度的±12 V和+5 V 電壓，要想對(duì)DC/DC 的進(jìn)行輸出控制，只需要控制三個(gè)電源模塊中的Gate In 端即可，三個(gè)DC/DC 電路原理圖如圖2 所示。圖2 中當(dāng)控制端信號(hào)為高電平時(shí)，VT1、VT2 和VT3 工作，此時(shí)DC/DC 的2 端接地，DC/DC 均不工作，±12V 和+5V 電壓不輸出;當(dāng)控制端信號(hào)為低電平時(shí)，VT1、VT2 和VT3 均不工作，此時(shí)DC/DC 均正常工作，±12 V 和+5 V 電壓輸出。

圖2 三個(gè)DC/DC 電路原理圖。

(4)直流電壓控制電路。

直流電壓控制電路的原理圖如圖3 所示。該電路主要由過欠壓保護(hù)電路和外部電壓控制電路兩部分組成。過欠壓保護(hù)電路主要是指當(dāng)輸入電壓過高(或過低)時(shí)產(chǎn)生超過(低于)300 V 一定比例的電壓后，經(jīng)過調(diào)理電路使電壓比較器MAX973 電壓發(fā)生跳變，從而改變控制信號(hào)的輸出，致使DC/DC 的Gate In 端電壓跳變，進(jìn)而使DC/DC 停止工作。外部電壓控制電路是指當(dāng)外部控制信號(hào)輸入端電平發(fā)生改變時(shí)，控制信號(hào)的輸出端的電壓發(fā)生跳變，從而改變DC/DC 的Gate In端的電壓，使DC/DC 停止(或開始)工作。

當(dāng)外部控制信號(hào)輸入為低電平時(shí)，與非門電路中觸發(fā)器輸出為高電平，此時(shí)計(jì)數(shù)器清零，經(jīng)過計(jì)數(shù)觸發(fā)電路和反相器反相后控制信號(hào)輸出為高電平，從而進(jìn)一步驗(yàn)證三個(gè)DC-DC不工作，相應(yīng)的DC/DC工作指示燈不亮。當(dāng)外部控制信號(hào)輸入為高電平時(shí)，與非門電路中觸發(fā)器輸出為低電平，此時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，經(jīng)過計(jì)數(shù)觸發(fā)電路和反相器反相后控制信號(hào)輸出為低電平，從而進(jìn)一步驗(yàn)證三個(gè)DC-DC正常工作，±12 V和+5 V電壓輸出，相應(yīng)的DC/DC工作指示燈亮。

圖3 直流電壓控制電路原理圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該多路輸出直流穩(wěn)壓電源模塊已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備中，將該電源模塊加220 V/50 Hz 交流電后，得到±12 V、+5 V、+6 V 和+9 V 輸出電壓。

±12 V 和+5 V 電壓輸出端的實(shí)測(cè)波形如圖4 所示。將該電源模塊放在-55℃~105℃下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同電源的情況下，測(cè)得直流輸出電壓不變。

(a)+5 V 直流電壓輸出波形圖。

(b)+12 V 直流電壓輸出波形圖。

(b)-12 V 直流電壓輸出波形圖。

圖4 直流電壓輸出實(shí)測(cè)波形。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過實(shí)際應(yīng)用表明，該電源模塊達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，不但具有多路輸出直流電壓的功能，而且具有輸出電壓穩(wěn)定可靠、精度高等特點(diǎn)。