胡衛(wèi)鵬 何海龍 賈高松
(西安電子工程研究所 西安 710100)
全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)是雷達轉(zhuǎn)臺驅(qū)動控制的重要發(fā)展趨勢,以DSP為核心的數(shù)字處理電路是交流伺服的基礎,在交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部集成多路輸出隔離電源可以提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。高頻開關電源與普通線性穩(wěn)壓電源相比其優(yōu)點為效率高、體積小、重量輕、成本低。而新型集成高頻開關電源與傳統(tǒng)的高頻開關電源相比不僅簡化了電路,同時改善了電源的電磁兼容性能,輸出電壓穩(wěn)定,紋波小。
交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部的控制板輸入電壓為24V。以DSP為核心的數(shù)字電路需要+5V供電;以電流、電壓濾波和采集等模擬電路需要±15V供電;通信接口的隔離+5V供電。根據(jù)驅(qū)動器供電性能的具體要求并保證每路供電留有足夠余量,設計伺服系統(tǒng)內(nèi)部電源參數(shù)見表1。
另:效率≥80%,體積不大于95×65×35mm3,隔離電壓 U≥2500Vrms。
表1 電源輸出電氣參數(shù)
電源采用負反饋控制回路來穩(wěn)定輸出電壓(圖1)。各路輸出電壓之間的比例關系是通過變壓器繞組之間的匝數(shù)比來決定的,當主路輸出電壓變化時,信號反饋到PWM控制單元,調(diào)節(jié)PWM的占空比來控制MOS管的通斷,進而控制了變壓器的輸入電壓,使輸出穩(wěn)定??紤]到輸入電壓會有共模和差模干擾,在電壓輸入前端設計濾波電路,變壓器繞組的輸出須經(jīng)過整流濾波電路。
圖1 電源設計框圖
控制芯片選用美國功率集成公司的DPA-Switch新型智能高頻開關電源集成芯片。該芯片將自啟動電路、功率開關MOS管、PWM控制電路及保護電路等集成在一起,簡化了開關電源的設計和開發(fā),外圍電路簡單、體積輕、重量小,溫度范圍寬(-40°C~125°C)。
DPA-Switch系列構(gòu)成的電路原理圖如圖2所示。其中S端和D端是DPA內(nèi)部MOSFET的源極和漏極端,F(xiàn)引腳可選擇開關頻率為400kHz或300kHz。X引腳的下拉電阻可以限制內(nèi)部驅(qū)動電流,防止輸出的過電流;L引腳的上拉電阻可以設定是欠壓/過壓門限制,C是反饋控制端。
圖2 DPA-Switch典型應用電路
開關電源常用的電路拓撲形式為正激式變換電路和反激式變換電路。正激式變換電路需有磁復位電路防止磁飽和,產(chǎn)生功率較大,體積較大。反激式變換電路產(chǎn)生功率較小,設計較復雜,但電路簡單,體積較小??紤]到體積的限制,選用反激式變換拓撲。DPA-Switch系列有四種型號,其中DPA426輸出功率最大,在16V~32V輸入電壓的反激式變換電路中可達為32W,能滿足電源功率要求,故選用DPA426。
3.2.1 變壓器材料及規(guī)格
開關電源的輸出電壓是由高頻變壓器多個二次繞組經(jīng)整流濾波后獲得,因此開關電源的性能在很大程度上取決于變壓器的設計。高頻變壓器的磁芯選用鐵氧體材料PC40,它具有高飽和磁通密度、高磁導率、高性價比的優(yōu)點。
反激式變換電路的變壓器主要承擔儲能的作用,所以特別關注原邊電感量這個重要參數(shù)。查閱磁芯結(jié)構(gòu)和磁芯骨架的資料,為了方便磁芯的采購和變壓器繞制,選用EE型變壓器。由于電源多路輸出所需變壓器骨架的管腿較多,采用了EE28的變壓器磁芯和骨架。
3.2.2 磁芯插入氣隙的大小
變壓器有氣隙時,導磁能力降低,導致每匝的電感量減小,繞組總電感值減小,但氣隙的存在可以減少磁芯里直流成分所產(chǎn)生的磁通。實際設計工作是通過氣隙大小調(diào)整來避免磁飽和??捎孟率接嬎銡庀?。
式中:lg為氣隙長度(mm),μ為4π ×10-7,Np為原邊匝數(shù),Lp為原邊電感(mH),Ae為磁芯面積(mm2)。
3.2.3 繞線方式及線徑的選擇
變壓器采用漆包線繞制,即初級繞組的層與層之間及初級和偏置繞組之間都采用擋墻繞制結(jié)構(gòu)來加強絕緣強度(三層膠帶)。變壓器的繞制結(jié)構(gòu)如圖3(每個線圈輸出電壓、匝數(shù)及線徑見圖3)。
圖3 變壓器繞制結(jié)構(gòu)
由于存在變壓器漏感和線路電感,二極管存儲電容和分布電容,開通和關斷過程中,容易在開關管漏源兩端和二極管上產(chǎn)生尖峰電壓。高頻變壓器的初級必須設置保護電路,確保DPA-Switch不被損壞。根據(jù)PI公司的資料推薦,為保證浪涌電壓的幅度限制在一定的幅度(200 V),在電源功率小于20W時,用TVS(瞬變電壓抑制二極管,也稱做齊納二極管)將浪涌能量泄放掉,當電源功率在20W~50W之間時,要用RCD鉗位電路(如圖4)。
變壓器每一路輸出都采用肖特基二極管整流,來減少系統(tǒng)功率損耗。整流后再采用π型濾波電路來減小紋波。反饋基準電壓用TL431產(chǎn)生,反饋回路的主輸出通路的誤差值輸入到光耦隔離芯片MOC8106后,由輔組繞組的電流產(chǎn)生。反饋通路的相位補償電路可以對系統(tǒng)起到相位校正的作用。反饋控制電路如圖4所示。
圖4 反饋控制電路圖
調(diào)試中的電源板如圖5。在額定輸入范圍16V~32V內(nèi),電源能穩(wěn)定工作,輸出電壓變化范圍小于0.2V;當輸入電壓值超過額定輸入范圍時,電源會自動保護重啟。從示波器(圖6)看出,紋波測試紋波為50mV左右,紋波很小,能完全滿足交流伺服系統(tǒng)的供電要求。
電源連續(xù)24小時加電工作正常,電源呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定特性,電源效率為82%。
多路輸出隔離電源不僅能完全滿足交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部供電的要求,還具有單片集成化、外圍電路簡單、成本低、實現(xiàn)了電氣隔離等優(yōu)點。此外,此特種電源的設計還可以不斷深入,提高系統(tǒng)的集成化,并應用于其它開關電源的設計。
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