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        多媒體設(shè)備高效開關(guān)電源設(shè)計

        2014-04-07 20:46:17王碩
        黑龍江科學 2014年9期
        關(guān)鍵詞:紋波穩(wěn)壓功率因數(shù)

        王碩

        (東北電力大學媒體技術(shù)與傳播系,吉林 吉林 132012)

        開關(guān)電源是利用電力電子技術(shù),控制功率管開通和關(guān)斷的時間,使輸出電壓穩(wěn)定的一種電源,開關(guān)電源一般是脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET控制電路的開關(guān)導(dǎo)通構(gòu)成。開關(guān)電源目前發(fā)展的方向是高頻率化,高頻率使開關(guān)電源變得越來越小。開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在安防監(jiān)控,節(jié)約能源資源及環(huán)境保護方面都有重要的意義。

        1 系統(tǒng)理論分析

        設(shè)計的目的是在輸入交流電壓Us=18V、輸出直流電流Io=2A條件下,使輸出直流電壓Uo=36V±0.1V,即實現(xiàn)升壓功能,所以采用Boost升壓電路。主控制器采用UC3854,實現(xiàn)較高功率因數(shù)輸出。此平均電流控制的單相Boost功率因數(shù)校正電路,完全能夠達到整流、高輸入功率因數(shù)、升壓,穩(wěn)壓、低紋波的目的。

        1.1 功率因數(shù)調(diào)整方法

        本系統(tǒng)使用UC3854功率因數(shù)調(diào)整器,UC3854內(nèi)部有電壓放大器、電流放大器及乘法器,以進行功率矯正,使功率因數(shù)達到0.99。

        1.2 穩(wěn)壓控制方法

        本系統(tǒng)采用平均電流控制的單相Boost功率因數(shù)校正電路,在UC3854外圍電路構(gòu)成雙閉環(huán),電壓環(huán)電流環(huán),實時控制電路,實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

        2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計

        當工頻電網(wǎng)輸入220V電壓,經(jīng)過隔離變壓器,然后通過整流濾波生成本設(shè)計所需要的電壓,再經(jīng)過Boost升壓電路將輸入電壓泵升到本設(shè)計輸出電壓,最后通過輸出濾波,達到輸出穩(wěn)定的直流電壓。其中MCU主控電路主要由單片機電路組成,包括復(fù)位電路,1602液晶顯示電路,再輔佐以UC3854功率因數(shù)校正電路,構(gòu)成了完整電路。

        2.2 EMI濾波器

        從頻率的角度看,EMI濾波器屬于低通濾波器。它可以毫無衰減地把直流電和工頻電傳送到開關(guān)電源,不僅可以衰減從電網(wǎng)帶來的外部的電磁干擾,也可以避免開關(guān)電源設(shè)備向外部發(fā)出干擾信號,避免影響其他電子設(shè)備的工作。

        2.3 Boost變換器

        2.3.1 升壓電感設(shè)計

        電感在電路中起著傳遞能量、儲存能量和濾波的作用,并決定了輸入端的高頻紋波電流的總量,因此需要按照限制電流脈動最小的原則來確定電感值。在考慮最差的情況下:輸入的電壓最低,輸出功率最大,此時,輸入的電流最大,紋波也最大,為了保證此時輸入電流紋波仍滿足需求,電感器的設(shè)計應(yīng)該在輸入電壓的最小值時進行。

        2.3.2 電容值的計算

        選擇輸出電容時要考慮到的因素有:二次諧波紋波電流、直流輸出電壓、開關(guān)頻率紋波電流、維持時間、輸出電壓紋波、流過輸出電容器的總電流是開關(guān)頻率紋波電流的有效值和線路電流的二次諧波。因此,要選擇長壽命、低漏阻、能忍耐較大紋波電流,而且工作范圍寬的鋁電解電容,并且耐壓的選擇應(yīng)留有一定的余量,以避免工作時負荷較大。滿足需求,電感器的設(shè)計應(yīng)該在輸入電壓的最小值時進行。

        對電流傳感進行檢測通常有兩種方法:其一,選擇兩個不同的電流互感器來對所輸入電流進行檢測。其二,在變換器接地線返回端串聯(lián)一個取樣電阻來對輸入電流進行檢測。取樣電阻對于所需功率較小、輸入電流較少的場合較為適用。雖然取樣電阻和電流互感器同樣適用于輸入電流的檢測,但就使用成本而言,使用取樣電阻來檢測輸入電流要比電流互感器花費相對低些,故本設(shè)計中采用了取樣電阻。取樣電阻Rs上的壓降Vs作為輸入電流的取樣,通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)使輸入電流成正弦波。取樣電阻Rs上的典型電壓值為Vs=1.0V。

        2.4 功率因數(shù)檢測電路

        使用功率因數(shù)對電路進行測量,通過電壓互感器、電流互感器同比例縮小可為處理的交流電壓弱信號,通過LM393構(gòu)成過零比較器,LM393的輸入端加了兩個IN4108穩(wěn)壓二極管,將輸入信號控制在-0.7V~0.7V,經(jīng)過零比較器將正弦信號轉(zhuǎn)變成方波。進入AT89C51單片機,經(jīng)由LCD顯示。

        2.5 電流環(huán)設(shè)計

        此次設(shè)計的PFC電路是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路。其內(nèi)環(huán)是電流環(huán),使輸入電流成正弦波。其外環(huán)是電壓環(huán),使輸出電壓高于輸入電壓的峰值且保持穩(wěn)定。

        電流環(huán)通過調(diào)節(jié)MOSFET的占空比,使輸入電流隨著輸入電壓成正弦波變化。由于輸入的電壓是經(jīng)過全波整流,因此其中有豐富的諧波,因此電流控制環(huán)必須有足夠的帶寬,是輸入電流跟蹤全波直流電壓基準。

        2.6 電壓環(huán)設(shè)計

        電壓控制環(huán)由電壓誤差放大器和升壓級組成。

        3 結(jié)語

        本文對多媒體設(shè)備電源設(shè)計完成了Boost功率因數(shù)矯正電路最初設(shè)計,能夠達到整流、高功率因數(shù)、升壓、穩(wěn)壓。對數(shù)控方面及軟開關(guān)方面未涉及,如果能加上這兩方面的內(nèi)容,多媒體設(shè)備開關(guān)電源一定會變得更加安全、便捷。

        [1] 張逸成,姚勇濤.開關(guān)電源EMI濾波器的不穩(wěn)定性的研究[J].電氣傳動,2009,(01):17-18.

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        [5] 段新東.PWM控制電流模式的DC-DC變換器設(shè)計[D].吉林大學,2007.

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