一種帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案

引言

近年來，隨著我國農(nóng)產(chǎn)品需求量的增加，農(nóng)業(yè)自動化水平的提高，以及大量農(nóng)業(yè)機(jī)械、電氣照明和溫控設(shè)備的增加，農(nóng)業(yè)電耗逐年增加，生產(chǎn)成本不斷提高。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源已作為一種較理想的電源為人們所使用，其運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，能夠在滿足各種農(nóng)業(yè)用電的前提下，降低電耗，其高效節(jié)能可帶來巨大的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。然而當(dāng)前的農(nóng)業(yè)用開關(guān)穩(wěn)壓電源，雖然體積小，效率高，但輸出電壓的紋波較大 ,難以保證輸出電壓高穩(wěn)定性，常常影響農(nóng)用機(jī)械和電氣設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)，反而增加了耗能。為此，本文提出一種新的帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案，能為農(nóng)用大型機(jī)械和農(nóng)業(yè)照明設(shè)備電路提供穩(wěn)定的電源，具有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 　方案論證

1. 1 　DC2DC主回路拓?fù)潆娐贩桨刚撟C

目前，DC2DC 主回路設(shè)計(jì)方案可考慮的方案有3 種。

(1) 單端正激式電路。該電路的電路原理圖如圖1 所示。

該方案結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但變壓器鐵心易磁化，MOS 管導(dǎo)通時(shí)向負(fù)載供電，變壓器并沒有實(shí)現(xiàn)充分利用，效率不高，而且輸出電壓紋波大。該方案實(shí)現(xiàn)簡單，目前為大部分農(nóng)業(yè)機(jī)械和電器設(shè)備采用，但難以保證穩(wěn)定持續(xù)的工作，應(yīng)用效果并不理想。

(2) 全橋整流式電路。圖2 所示為全橋整流式電路。該方案采用了4 個(gè)MOS 管，工作時(shí)對管同時(shí)導(dǎo)通，半周期內(nèi)Q1、Q3 導(dǎo)通，Q2、Q4 截止，然后Q2、Q4 導(dǎo)通，Q1、Q3 截止。這樣的工作方式使每半周期都有2 個(gè)MOS 管來分壓，對MOS管的耐壓要求就降低了，適用于高壓場合，但由于使用了4個(gè)MOS 管，使得損耗功率增加，開關(guān)損耗同時(shí)增加?？紤]到農(nóng)業(yè)機(jī)械一般功率較大，采用該方案必然降低電能利用率，導(dǎo)致大量的能耗損失。

( 3) 雙管推挽放大電路。圖3所示為雙管推挽放大電路。該方案采用了2 個(gè)MOS 管輪流導(dǎo)通，比采用4 個(gè)MOS管損耗低，而且輸出電壓比單端方式的要穩(wěn)，為達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的效率，本文選用了該方案。

1. 2 　控制方法及方案論證

1. 2. 1 　鍵控、穩(wěn)壓及顯示控制

常用的方案有2 種。

(1) 數(shù)字芯片方案。采用數(shù)字電路搭建控制平臺，用tlc4066 與74ls07 通過按鍵用74ls07 計(jì)數(shù)，并通過4066 來選通分壓電阻的電壓，輸入給PWM芯片，從而控制輸出電壓。用A/ D 采樣給數(shù)碼管顯示，但A/ D 控制不易實(shí)現(xiàn)而且顯示部分電路難以實(shí)現(xiàn)。

(2) 嵌入式方案。采用51 單片機(jī)小系統(tǒng)板對PWM芯片進(jìn)行控制，并對A/ D 和D/ A 進(jìn)行控制和采樣。采用以7279 為核心的按鍵掃描顯示模塊進(jìn)行鍵控和顯示。該方案編程比較容易，控制很方便，顯示也很容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)綜合比較考慮，筆者選擇采用嵌入式解決方案。

1. 2. 2 　PWM芯片的選取

TL494 是很常用的PWM芯片，但是外圍電路復(fù)雜，缺少圖騰柱式輸出，且驅(qū)動能力不強(qiáng)。而SG3525 芯片的驅(qū)動能力要比TL494 強(qiáng)，性能穩(wěn)定，并且以圖騰柱式輸出，驅(qū)動變壓器設(shè)計(jì)簡單，外圍電路比TL494 簡潔。

因此，PWM芯片的設(shè)計(jì)中選用SG3525。

1. 2. 3 　過流保護(hù)自動控制

(1) 純硬件實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)控制。在負(fù)載端采樣電壓，通過一個(gè)比較器輸出一個(gè)電平控制可控硅的導(dǎo)通，由可控硅的狀態(tài)來控制SG3525 的shutdown 端，從而控制輸出狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載正常時(shí)可控硅關(guān)斷，shutdown 端為低電平，芯片正常工作;當(dāng)負(fù)載過流時(shí)，通過取樣電阻給比較器輸出一個(gè)高電平，高電平通過一個(gè)電容送到一個(gè)與可控硅并聯(lián)的三極管基極，使三極管導(dǎo)通，從而關(guān)斷可控硅。該方案邏輯關(guān)系很強(qiáng)，參數(shù)選擇嚴(yán)格，不容易實(shí)現(xiàn)，不適用于該系統(tǒng)。

(2) 軟件實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)控制。在負(fù)載端采樣電壓，通過單片機(jī)來查詢負(fù)載電平的高低控制SG3525 芯片的shutdown 端口來控制輸出，從而達(dá)到保護(hù)的目的。該方法簡單，且為后續(xù)智能化過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。通過對該電源電路進(jìn)行方案論證，該系統(tǒng)的原理圖如圖4 所示。

1. 3 　提高效率方法及解決方案

由于損耗主要來源于器件本身以及一些開關(guān)元件的寄生電阻和進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)的開關(guān)損耗，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)要盡量減少損耗元件的個(gè)數(shù)，選用耗能小的元件，采用比較理想的開關(guān)元件;并且變壓器的選取和繞制也對效率有影響。

1. 3. 1 　功放電路解決方案

為了降低損耗只能選用2 個(gè)晶體管，并且要求它本身的導(dǎo)通壓降很低，降低了損耗，并且開關(guān)速度很快，讓開關(guān)在瞬間完成，才能夠最大限度地降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。[!--empirenews.page--]

1. 3. 2 　變壓器解決方案

選用EI 變壓器，設(shè)置匝數(shù)比為10∶32 ,線徑0. 7 mm,初級雙線并繞，次級單線繞制，這樣能最大限度地提高效率。

2 　硬件設(shè)計(jì)

2. 1 　開關(guān)管的選取

由于是PWM芯片直接驅(qū)動，因此驅(qū)動電流不大，考慮到效率問題，選用IRF540。它是電壓控制器件，要求驅(qū)動電流很低，并且開關(guān)速度很快，導(dǎo)通電阻很小，這樣既減少了開關(guān)損耗，也降低了本身寄生電阻的損耗。

2. 2 　輸入整流二極管的選取

由于集成整流橋用于整流濾波，易引起整流管過熱，其輸出電壓過低，導(dǎo)致負(fù)載電壓不穩(wěn)。因此采用共陰極肖特基二極管取代。

2. 3 　輸出整流二極管的選取

考慮到效率要求，選用了肖特基二極管，速度快且壓降低。

2. 4 　變壓器的繞制方法

選用EI 變壓器，工作頻率為30kHz ,計(jì)算匝伏比： N/ V = Ton/ (ΔB ×Ae) ,原邊繞組匝數(shù)： Np= Vinmin ×( N/ V) ,副邊繞組匝數(shù)： N2 = ( Vo + Vd + Io ×R)×( N/ V) ,設(shè)置的匝數(shù)比為10∶32 ,線徑0. 7 mm,初級雙線并繞，次級單線繞制。該設(shè)計(jì)方法能最大限度地提高效率。

2. 5 　整流管的輸出穩(wěn)壓

由于18 V 經(jīng)整流濾波后達(dá)到25V ,因此選用了耐壓值為1 000μF/ 50 V 的大電容來穩(wěn)壓。

2. 6 　LC濾波參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)電感最大貯能值0. 5 ×L ×I ×I 確定電感峰值電流Imax = Io + 2 ×VoToff / L (Toff 為關(guān)斷時(shí)間) ,匝數(shù)N 應(yīng)進(jìn)行取整，當(dāng)匝數(shù)少電流大時(shí)，應(yīng)盡量避免取半匝的情況。經(jīng)計(jì)算后選取電感量為10 mH,電容為4 700μF。

2. 7 　保護(hù)電路設(shè)計(jì)

采用LM358 和LM193 作為過流采樣比較器。若負(fù)載過流，比較器輸出高電平給單片機(jī)，單片機(jī)查詢端口作出判斷給SG3525 的shut 口一個(gè)高電平，同時(shí)把1 個(gè)三極管打通給負(fù)載一個(gè)5 V 電壓再次檢測負(fù)載狀態(tài);若過流拆除通過LM393 比較器給單片機(jī)一個(gè)高電平，那么單片機(jī)給shut 端低電平來開啟SG3525。若未拆除，過載單片機(jī)循環(huán)查詢等待拆除。

3 　運(yùn)行情況與分析

在該設(shè)計(jì)中，采用的試驗(yàn)手段及儀器如下。

(1) 輸出電壓調(diào)整范圍的測試。通過51 控制改變DC2DC變換器的電源電壓值，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。用萬用表測試電壓值。

(2) 最大輸出電流的測試。通過調(diào)整負(fù)載電阻的值來調(diào)整輸出電流，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)輸出電流最大。

(3) 電壓調(diào)整率Su 的測試。在給定的輸入電壓從15～21 V 變化時(shí)，用5 位半的數(shù)字表分別測出負(fù)載電壓的最大變化量，然后除以負(fù)載電壓就可以計(jì)算出Su。用同樣的方法可以測出Si 。

(4) 輸出電壓紋波Vpp。用交流調(diào)壓器設(shè)定U2 為18 V ,負(fù)載電壓為36 V ,電流為2 A 時(shí)，用模擬示波器測量紋波電壓峰峰值。

(5)DC2DC 的變換效率。分別用5 位半的數(shù)字表測得負(fù)載電壓和電流與DC2DC 變換器的輸入電壓和電流，然后計(jì)算出輸入和輸出功率，便可計(jì)算出效率。

該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測試，其測試數(shù)據(jù)表如表1～4所示。

通過測試，該穩(wěn)壓電源具有過流、過壓保護(hù)功能?？梢?，該電源的穩(wěn)壓性能指標(biāo)較高，控制輸出具有可調(diào)性。

4 　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源采用性能穩(wěn)定常用的PWM 芯片SG3525 來進(jìn)行反饋調(diào)整穩(wěn)壓，并通過51 單片機(jī)來設(shè)定輸出電壓，功放電路采用MOS 管搭建的雙端推挽方式，提高了電源效率。系統(tǒng)測試和運(yùn)行結(jié)果表明，該穩(wěn)壓電源使控制更加智能化，能夠長期高效，穩(wěn)定的工作，更夠滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械以及照明設(shè)備電路的持續(xù)工作需要，同時(shí)避免了大量的硬件電路設(shè)計(jì)，降低了制造成本，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械和照明設(shè)備上具有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。