一種輸出電壓4～16V開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1　引言

在科研、生產(chǎn)、實驗等應用場合，經(jīng)常用到電壓在5～15V，電流在5～40A的電源。而一般實驗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。

2　主要技術(shù)指標

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)生的雙列脈沖信號去驅(qū)動功率MOS管，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在次級得到準方波電壓，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)的干擾進入電源機箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開關(guān)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的高頻噪聲。
交流輸入220V時，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時，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交替導通、截止，在高頻變壓器初級繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值為U1/2的正負方波脈沖電壓。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
1）工作頻率的設(shè)定
工作頻率對電源的體積、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)元器件及性價比等因素，將電源工作頻率進行優(yōu)化設(shè)計，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，價格便宜等優(yōu)點。
②確定工作磁感應強度Bm
R2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應強度Bs=0.47T，考慮到高溫時Bs會下降，同時為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm=1/3Bs=0.15T。
③計算并確定磁芯型號
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。對于半橋變換器，當脈沖波形近似為方波時為

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)，對于鐵氧體Kc=1；
Ku——銅的填充系數(shù)，Ku與導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。

由廠家手冊知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,則SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于計算值，選定該磁芯。
3)計算原副邊繞組匝數(shù)
按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時占空比最大）來計算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2×176=211.2V。
對于半橋電路、功率變壓器初級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

次級匝數(shù)計算時取輸出電壓最大值Uomax=16V。次級電路采用全波整流，Us為次級繞組上的感應電壓，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）選定導線線徑
在選用繞組的導線線徑時，要考慮導線的集膚效應，一般要求導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為導線的磁導率，對于銅線相對磁導率μr=1，則μ=μ0×μr=4π×10－7H/m；
γ為銅的電導率，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)繞制初級共10匝，次級選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝。
4.4輔助電源的設(shè)計
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和變壓器初級繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩。R72為啟動電阻。Q9、R77構(gòu)成輔助電源初級過流保護。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構(gòu)成電壓檢測與穩(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180匝，反饋繞組5.5匝，次級11匝，初級電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm。

4.5驅(qū)動電路
驅(qū)動電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號，通過高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動功率MOS管。次級脈沖電壓為正時，MOS管導通，在此期間Q7截止，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當次級脈沖電壓為零時，則Q7導通，快速泄放MOS管柵級電荷，加速MOS管截止。R70是用于抑制驅(qū)動脈沖的尖峰，R68、D15、R67可以加速驅(qū)動并防止驅(qū)動脈沖產(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風扇風速控制電路
風扇風速控制電路見圖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，當散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時，運放N2A正相輸入端電平降低，輸出低電平使三極管Q3開始導通，風機上電壓升高，轉(zhuǎn)速升高，最終到達最高轉(zhuǎn)速。當負載較輕，使散熱器溫度低于50℃時，N2A輸出高電平，Q3不導通，輔助電源12.5V經(jīng)電阻R57降壓給風機供電，風機處于低速、低噪聲運行狀態(tài)。此電路可以提高風機工作壽命，增加電路可靠性，亦可在小負載情況下，減少風機帶來的噪聲。

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，見圖6。輸出電壓經(jīng)R40、RV2、RV1、R41進行分壓采樣，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現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。R103和C14將輸出電感L1前信號采樣，經(jīng)R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度，消除L1對環(huán)路穩(wěn)定性影響。
4.8過流保護電路
為增強電源可靠性，此電源采用初、次級兩級過流保護。初級采用電流互感器CT1檢測初級變壓器電流，檢測出的電流信號經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號后，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。當初級電流超過正常時，反相器反轉(zhuǎn)，Q1管導通，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，采用R45～R56電阻做為采樣電阻，當輸出電流增加時腳15電平變低，當輸出電流大于40A的105％時，TL494的內(nèi)部運放動作，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
本文介紹的開關(guān)電源已成功地作為實驗室電源、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，具有一定的市場競爭力。