摘 要:闡述一種較為先進(jìn)的交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案采用脈沖寬度調(diào)制器、高速電子開關(guān)、高頻電子變壓器、LC 濾波器等實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的晶閘管調(diào)角式交流穩(wěn)壓電源相比，該方案新穎獨(dú)特，效率高，體積小，非線性失真小，是實(shí)現(xiàn)新一代交流穩(wěn)壓電源的全新方案。

關(guān)鍵詞:穩(wěn)壓電源; 交流穩(wěn)壓電源; 脈沖寬度調(diào)制器; 高頻電子變壓器

中圖分類號:TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號:1004-373X(2010)10-0204-03

Design of Switch-Mode AC Stabilized Voltage Supply

XU Jin-xing， XU Chang-hua

(Research Development Center of Electronic Products Equipment Manufacture of Jiangsu Province， Huaian 223003， China)

Abstract:An advanced design of AC stabilized voltage power supply is expounded in this paper. The pulse width modulator (PWM)， high-speed electronic switches， high-frequency electronic transformer， and LC filters was adopted to realize the design. In comparison with AC stabilized voltage supply of the traditional thyristor angle modulation mode， this scheme is ofhigher efficiency， smaller size， smaller nonlinear distortion and it is an entirely new design of AC stabilized voltage supply.

Keywords:stabilized voltage supply; AC stabilized voltage supply; PWM; high-frequency electrosic transformer

目前，空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)及家電中的電源逐漸被開關(guān)電源所取代。現(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器、調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的，這種穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是承受過載和短路的能力差，效率低，一般只有35%~60%。由于調(diào)整管要損耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管，并裝有體積很大的散熱器[1]。而開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率可達(dá)70%~95%，穩(wěn)壓器的體積小，重量輕，調(diào)整管的功率損耗較小，散熱器也隨之減小[2]。此外，開關(guān)頻率工作在幾十kHz，可用數(shù)值較小的濾波電感、電容元件，故可以大大提高允許的環(huán)境溫度。

1 電路組成及工作原理

開關(guān)式交流穩(wěn)壓電源電路框圖如圖1所示。工作原理描述:由三角波發(fā)生電路產(chǎn)生150 kHz的三角波，由低頻正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生50 Hz的正弦波。兩個(gè)信號分別同時(shí)送到比較器的同相和反相輸入端，在比較器的輸出端將產(chǎn)生矩形波。該矩形波的頻率與150 kHz的三角波相同，該矩形波的脈沖寬度受50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度的調(diào)制后，隨50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度而變化，即已調(diào)制矩形波。將其送到高速電子開關(guān)中一個(gè)輸入端，并經(jīng)過一級反向器反向，送到高速電子開關(guān)的另外一個(gè)輸入端。

圖1 開關(guān)式交流穩(wěn)壓電源電路拓?fù)鋱D

市電整流濾波獲得的2倍于輸入交流電壓(典型值約為311 V)的直流高電壓送到高速電子開關(guān)的電源輸入端。高速電子開關(guān)的兩個(gè)輸出端由兩個(gè)反向的輸入矩形波驅(qū)動(dòng)，從約311 V直流電源取得能量后，分別經(jīng)過一級短時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路連接到高頻開關(guān)變壓器的初級。該LC 濾波電路的作用是使進(jìn)入高頻開關(guān)變壓器初級的矩形波脈沖拐角趨于圓滑，以降低其高頻諧波。高頻開關(guān)變壓器的初、次級還起到對市電隔離的作用，高頻開關(guān)變壓器的次級獲得交變、拐角圓滑的矩形波電壓，經(jīng)過多級長時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路，將150 kHz高頻信號濾除，還原出50 Hz正弦波的調(diào)制信號，送到負(fù)載用于對負(fù)載供電[3]。

電壓和電流取樣電路從負(fù)載上獲取電壓和電流信號，分別送兩路A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，變成離散的數(shù)字信號。一方面用于通過微處理器處理后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;另一方面用于通過微處理器處理后送D/A 轉(zhuǎn)換器變換為模擬量，經(jīng)過光電隔離驅(qū)動(dòng)電路來控制正弦波發(fā)生器的幅值，又經(jīng)過比較器、反向器、高速電子開關(guān)、LC 濾波、高頻開關(guān)變壓器、多級LC 濾波等電路，用于控制負(fù)載上電壓或電流的穩(wěn)定。電壓互感器的作用是從市電中獲得低諧波失真的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，經(jīng)由正弦波產(chǎn)生電路控制其幅值;鍵盤用于輸入準(zhǔn)備向負(fù)載提供的電壓或電流值。

2 電路設(shè)計(jì)分析

2.1 可控正弦波產(chǎn)生電路

可控正弦波產(chǎn)生電路的電路圖如圖2所示[2]。

正弦波的來源采用直接從市電的220 V/50 Hz的正弦波，利用電壓互感器變換成較低電壓的50Hz 正弦波(例如5 V)。該正弦波的諧波失真度取決于市電的諧波失真度和互感器的參數(shù)，其輸出幅度由D/A 轉(zhuǎn)換器控制光電耦合器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號控制光電耦合器導(dǎo)通程度，與分壓電阻分壓后產(chǎn)生交流和直流疊加的電壓，經(jīng)電容隔離直流分量，僅保留交流分量送運(yùn)算放大器進(jìn)行若干倍的放大，產(chǎn)生隨D/A信號幅度大小而控制的純凈交流信號量。

圖2 可控正弦波產(chǎn)生電路

D/A控制信號產(chǎn)生的原則是:根據(jù)輸出到負(fù)載上的電壓或電流配合市電的電壓幅度大小進(jìn)行綜合運(yùn)算，由微處理器向D/A 轉(zhuǎn)換器提供通過綜合運(yùn)算的數(shù)字量，使得提供給負(fù)載的輸出電壓(或電流)趨于穩(wěn)定。

2.2 脈沖寬度調(diào)制器

PWM產(chǎn)生電路由正弦波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路和比較器三個(gè)部分組成。三角波加到比較器的反向輸入端，正弦波加到比較器的同向輸入端，比較器輸出端產(chǎn)生受正弦波瞬時(shí)幅度而變化的脈沖寬度調(diào)制波[4-5]。

圖3是電壓型PWM比較器的工作波形，輸入三角波接在比較器的反向輸入端，可控正弦波信號送至比較器的同相輸入端，經(jīng)放大后輸出PWM信號。

圖3 PWM工作波形圖

2.3 高速電子開關(guān)

高速電子開關(guān)電路用于實(shí)現(xiàn)將PWM波功率放大，配合高頻電子變壓器和濾波電路，可實(shí)現(xiàn)對輸入信號為受某信號參數(shù)調(diào)制的矩形波，輸出信號為還原出該參數(shù)的解調(diào)電路[6]。其典型電路圖如圖4所示，是PWM經(jīng)反相器出來的波形。整個(gè)電路由4個(gè)場效應(yīng)管構(gòu)成的橋式開關(guān)電路、高頻開關(guān)變壓器、多組LC 濾波電路(圖中只畫出一組L3，C3)組成。

圖4 高速電子開關(guān)電路

高頻開關(guān)變壓器Tr還兼起市電隔離的作用。電路中，L1，C1 和L2，C2 組成濾波電路，用以使輸入到高頻開關(guān)變壓器初級的矩形波拐角變成“緩變”形狀，以使流經(jīng)變壓器的諧波分量減小，降低干擾。

經(jīng)過高頻開關(guān)變壓器次級感應(yīng)到的電壓通過L3，C3(實(shí)際為多級LC，如三級)的進(jìn)一步濾波可以將PWM的高頻矩形波濾除，在負(fù)載上得到被還原的原調(diào)制波的正弦波形，如圖5所示。

圖5 還原出來的波形

圖5中還原出來的調(diào)制波實(shí)際上是有一定程度的鋸齒波成分，如果用數(shù)字存儲(chǔ)示波器存儲(chǔ)波形，然后局部放大觀測可發(fā)現(xiàn)，如圖5中顯示了局部放大后的鋸齒形狀，其鋸齒程度反映了信號的失真度，與多級LC濾波器的性能參數(shù)有關(guān)。

2.4 微處理器

微處理器部分用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的智能化，微處理器部分包括微處理器芯片、鍵盤、LCD 顯示器、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器，且適合于控制的微處理器芯片往往采用單片機(jī)，而單片機(jī)基本上都包含有I/O 接口電路、ROM，RAM、定時(shí)器和中斷系統(tǒng)，因此這些部件基本上都不需要擴(kuò)展。

軟件部分的設(shè)計(jì)包括A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、鍵盤系統(tǒng)等功能的子程序，還包含系統(tǒng)監(jiān)控程序和各種中斷服務(wù)程序等[7]，其系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖

3 結(jié) 語

在此介紹的開關(guān)式交流穩(wěn)壓電源是一種較為先進(jìn)的交流電源設(shè)計(jì)方案。隨著時(shí)代的快速發(fā)展，開關(guān)電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，目前正在研制開發(fā)開關(guān)與控制電路集成于同一芯片的集成模塊。然而，把功率開關(guān)與控制電路，包括反饋電路都集成于同一芯片上，必須解決電氣隔離與熱絕緣的問題，這將是今后的一大研究課題。

參考文獻(xiàn)

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