陳景忠

（揚州工業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127）

基于半橋變換的數(shù)控開關電源的設計與研究

陳景忠

（揚州工業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127）

現(xiàn)代高頻開關穩(wěn)壓電源以體積小、效率高、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點已廣泛應用于各種工業(yè)控制設備、醫(yī)療儀器以及各種家用電器等產(chǎn)品中。主要分析了一種數(shù)控機床系統(tǒng)用開關電源的工作原理，對主變換電路等各部分電路的工作過程、器件選擇及主變壓器參數(shù)等進行了設計研究。通過大量試驗，最終完成了該數(shù)控機床系統(tǒng)開關穩(wěn)壓電源的研制，各項指標滿足系統(tǒng)要求，工作穩(wěn)定可靠。

開關電源；半橋變換；驅動；保護

現(xiàn)代高頻開關穩(wěn)壓電源以效率高、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點已廣泛應用于各種工業(yè)控制設備、醫(yī)療儀器以及各種家用電器等產(chǎn)品中。隨著微電子工藝技術和電力電子技術的發(fā)展，各種開關電源智能控制芯片及新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，同時，開關電源用各種新型磁芯材料也應運而生，這些使得開關電源總體逐漸向高效率、輕質量、高集成等方向發(fā)展。

本文主要分析設計了一種數(shù)控機床系統(tǒng)用開關電源電路，其采用半橋式變換工作原理，克服了單端變換電路高頻變壓器的磁芯只工作在磁滯回線一邊的現(xiàn)象，電路抗不平衡性得到了大大增強。同時，采用脈寬調制芯片TL494作為激式驅動芯片，性價比高，調試簡單方便，工作穩(wěn)定可靠。該開關電源還設計有過壓、過流等各種保護電路。

1 開關電源電路的組成及原理

1.1 原理框圖

如圖1，輸入的交流電220 VAC經(jīng)過輸入整流濾波電路后，送入半橋式變換電路進行高頻開關變換，再經(jīng)過高頻整流濾波電路后輸出各路電壓提供給負載使用。該開關電源共有四種輸出電壓，其技術指標要求分別是：+5 V，25 A，誤差±1%，供主電路CPU板等使用；+15 V，4 A誤差±2%；－15 V，4 A誤差±2%，供控制電路使用；+24 V，2 A誤差±10%，供繼電器電路等使用。電源工作原理框圖如1。

圖1 數(shù)控機床系統(tǒng)開關電源原理框圖

該開關電源的穩(wěn)壓原理是通過對輸出+5 V電壓主回路取樣，并反饋至脈寬集成芯片TL494內的誤差放大器實現(xiàn)[1]，驅動改變交替導通的大功率管Q1、Q2導通時間實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。電流取樣變壓器T2原邊串接在主變換回路中，對電流取樣，如發(fā)生過流或短路，則通過過流保護電路，讓整個變換電路停止工作。

1.2 驅動電路原理分析

圖2 數(shù)控機床系統(tǒng)開關電源驅動電路圖

TL494芯片是一種性價比較高的脈寬驅動集成電路，可通過5腳、6腳的電容、電阻方便地進行振蕩頻率設置[2]。其內部的兩個誤差放大器分別作為電壓反饋和電流反饋處理，內部驅動三極管可交替導通或同時導通以提高驅動電流。圖2中外接三極管Q3、Q4以加大驅動電流交替驅動主變換回路大功率三極管Q1、Q2。當T3次邊上繞組感應電壓為上正下負時，驅動電壓經(jīng)二極管D4、D5驅動三極管Q1，并給電容C3充電。D6、R7為Q1導通加速回路，并限制流過Q1的電流以保護Q1。

當Q1截止時，已充電的C3電容電壓經(jīng)過三極管Q1：PN結、三極管Q5：e、Q5：c回路反向放電，迅速減少Q(mào)1：PN結存儲電荷而使Q1截止，從而減小Q1恢復時間，避免在死區(qū)時間不夠的情況下，Q1、Q2出現(xiàn)共態(tài)導通，燒毀電路的現(xiàn)象發(fā)生。驅動電路的下半周期，Q2導通，Q1截止，原理與前述相同。圖中驅動變壓器T3選EI28型高頻鐵氧體磁芯繞制。

1.3 主變換電路原理分析及計算

1.3.1 主變換電路原理分析

主變換器電路原理圖如圖3所示，輸入的交流電220 V經(jīng)輸入整流濾波后，產(chǎn)生約300 V左右的直流電壓。經(jīng)電容R1、R2、C1、C2分壓，供Q1、Q2交替半周期導通使用。當Q1導通時，其通電回路為：

C1+→Q1：c→Q1：e→T1原邊→T3原邊→T2原邊→C2+→C2-當Q2導通時，其通電回路為：

C1+→C1-→T2原邊→T3原邊→T1原邊→Q2：c→Q2：e

圖3 數(shù)控機床系統(tǒng)開關電源主變換圖

主變壓器T1次邊有～5 V，～15 V，～24 V共三組繞組，分別經(jīng)過全波整流后輸出+5 V，+15 V，－15 V，+24 V四組電壓。其中+5 V為主穩(wěn)壓回路，穩(wěn)壓電路由+5 V輸出取樣并反饋回TL494芯片誤差放大器，改變其輸出驅動脈沖寬度，最終實現(xiàn)穩(wěn)壓。其余三組繞組電壓輸出隨+5 V電壓調整而變化，15 V在整流后采用集成穩(wěn)壓器件W 7815、W 7915穩(wěn)壓，按照集成穩(wěn)壓塊工作要求，輸入輸出壓差大于3 V以上穩(wěn)定可靠，因此在交流輸入電壓187～242 V范圍內，～15 V次邊繞組感應電壓整流后必須大于18 V。24 V系統(tǒng)誤差要求(24±10%)V范圍內，可適當選取圈數(shù)滿足要求。

主變換電路中大功率三極管Q1、Q2選取MJ13070，該管參數(shù)：最大功率PD為125W，集電極電流IC為5 A，擊穿電壓BVceo為400 V，擊穿電壓BVebo為6 V，電流放大倍數(shù)β最小為8倍。上升時間tr最大僅為0.4μs，可減小開關損耗。

1.3.2 主變壓器計算及磁芯選擇

大功率管Q1、Q2作為開關器件在電路中交替導通，組成了半橋式開關變換器。主變換變壓器T1采用高頻鐵氧體磁芯材料EE42繞制。相關計算公式如式（1）[3]：

式中：η為變壓器效率；δ為電流密度；Bm為磁感應強度；Q為磁芯窗口面積；S為磁芯截面積；f為開關電源工作頻率；Km為窗口銅填充系數(shù)；Kc為窗口鐵填充系數(shù)；PT為變壓器輸出功率。對本電路半橋變換而言，原次邊繞組匝比選取約為13。初級主繞組取40圈，次級+5 V繞組取3圈。為減小集膚效應，變壓器在繞制工藝上采用Φ1.4漆包線雙線并繞或用厚0.1 mm軟黃銅皮繞制而成，并盡量使繞組參數(shù)對稱保持一致。

1.4 開關電源整流濾波電路、保護電路

高頻整流電路器件選擇恢復二極管S30SC4M實現(xiàn)+5 V回路電壓整流，該器件最大輸出電流30 A，反向最大擊穿電壓約40 V。選取BYV32進行±15、+24 V輸出電壓整流，該器件最大輸出電流4 A，反向擊穿電壓達200 V。濾波電路采用電感電容組成的π型濾波，可有效濾除高頻整流后的交流成份。開關電源設置有過壓保護電路、過流保護電路等保護措施。電路中過壓保護電路工作原理：當開關電源輸出取樣電路檢測+5 V輸出電壓大于5.5 V時，迅速觸發(fā)可控硅導通切斷變換驅動電源+15 V，使驅動信號停止工作，從而保護開關電源。電路中過流保護電路工作原理：當串接于主變換回路原邊的電流傳感變壓器T2檢測到電路過流時，經(jīng)整流變換后送入TL494內部誤差放大器組成的過流保護電路，經(jīng)芯片內部驅動邏輯控制電路，封鎖驅動輸出脈沖，使變換器停止工作從而保護整個電源。

2 結論

本文主要分析了一種數(shù)控機床系統(tǒng)用開關電源的工作原理，對主變換電路等各部分電路的工作過程、器件選擇及主變壓器參數(shù)等進行了設計研究，通過大量試驗，最終完成了該數(shù)控機床系統(tǒng)開關穩(wěn)壓電源的研制，各項指標滿足系統(tǒng)要求，工作穩(wěn)定可靠。

[1]UNITRODECompany.Product&Applications Handbook[M].USA: UNITRODECompany,2003.

[2] 北京半導體器件五廠.最新開關集成穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)應用手冊[M].北京：北京半導體器件五廠，2006.

[3] 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關電源實用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

Design and research of sw itching power supply based on half-bridge converter

CHEN Jing-zhong
(Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou Jiangsu 225127,China)

Modern high-frequency switching power supply with small volume,high efficiency,low noise,high reliability and other advantages have been widely used in various industrial control equipments, medical equipment and various household appliances and other products.The working principle of switching power supply for CNC machine tool system was analyzed.The main converter circuit and other parts of the working process of the circuit,device selection and main transformer parameters was designed and studied in this paper.Through a lot of experiments,the CNC machine tool system switching power supply was developed.Its various indicators meet the demand of the system with stable and reliable working.

switching power supply;half-bridge converter;drive;protection

TM 461

A

1002-087 X(2013)11-2051-02

2013-04-12

陳景忠（1965—），男，江蘇省人，碩士，高級工程師，主要研究方向為電路設計及光電控制。