A Scheme for Reducing Power Consumption of the Switching Excitation Circuit for the High/Low Voltage Power Supplies

許　偉　徐科軍　楊雙龍　梁利平　方　敏

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥　230009)

一種降低高低壓電源切換勵磁電路功耗的方案

A Scheme for Reducing Power Consumption of the Switching Excitation Circuit for the High/Low Voltage Power Supplies

許偉徐科軍楊雙龍梁利平方敏

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥230009)

摘要：為了降低功耗和減少發(fā)熱，以確保電磁流量計長期穩(wěn)定、可靠地工作，對電磁流量計的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)進行改進。去掉高壓電源激勵回路中的電流旁路電路，減少高壓電源工作時的消耗；使用MOS管替代H橋開關電路高壓側橋臂中使用的達林頓管，減小H橋開關電路的消耗和發(fā)熱；使用IR2110驅動H橋，加快開關管的開通和關斷的過程。同時，研制新的恒流源控制電路，有效減小高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的消耗。試驗測試表明，改進后電磁流量計的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的功耗降低了43%。

關鍵詞：電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)電源切換恒流源控制電路功耗發(fā)熱

Abstract：In order to reduce power consumption and heat generation for ensuring long term stable and reliable operation of the electromagnetic flowmeters, the switching excitation control system of the high/low voltage power supplies for electromagnetic flowmeters has been improved. The current bypass circuit in excitation loop of high voltage power supply is removed to decrease power consumption of high voltage power supply in operation; and the Darlington transistors used in high voltage bridge arm of the H-bridge are replaced by MOS FETs to decrease the consumption and heat generation of H-bridge switching circuit; the H-bridge is driven by using IR2110, to speed up the process of ON/OFF. In addition, the new type of control circuit of constant current source is developed for effectively reducing the power consumption of the control system. The experimental tests show that power consumption of this improved system is decreased by 43%.

Keywords：Electromagnetic flowmeterExcitation control systemPower supply switchingConstant current source control circuit

Power consumptionHeat generation

0引言

各種導電流體流量的準確測量對工農業(yè)生產、城市建設和環(huán)保具有重要的意義。電磁流量計是依據法拉第電磁感應定律的工作原理來測量導電液體體積流量的儀表[1]，其勵磁方法直接決定了電磁流量計工作時的響應速度、抗干擾能力和零點穩(wěn)定性[2]。文獻[3]~[4]研制的基于高低壓電源切換的勵磁控制系統(tǒng)，極大地提高了勵磁頻率，使電磁流量計具有較快的響應速度；同時，保證了電磁流量計在測量過程中電流的穩(wěn)定性和可靠性。但是，在實際使用過程中，基于高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的電磁流量計存在功耗大、發(fā)熱嚴重的問題。勵磁控制系統(tǒng)是電磁流量計中消耗電能最大的模塊，減小其功耗，對降低電磁流量計的整體功耗具有重要意義。文獻[5]介紹的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)，其H橋開關電路高壓側橋臂的達林頓管和恒流源控制電路發(fā)熱量最大，是該系統(tǒng)在工作過程中溫度最高的電路單元。溫度過高會影響電磁流量計長期工作的穩(wěn)定性和可靠性，同時，也影響其測量精度。為此，本文針對高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)，提出降低功耗、減少發(fā)熱的方案，并進行實現和試驗。

1解決方案

為了降低高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的功耗，以減小其發(fā)熱量，一要在不影響電路正常工作的前提下，簡化電路，減少發(fā)熱源；二要減小電磁流量計勵磁電路中功耗較大的電路單元的壓降，以減小勵磁電路整體消耗的電能。

1.1　高壓電源激勵回路簡化

原高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)由高壓電源、低壓電源、能量回饋電路、高低壓切換電路、恒流源控制電路、電流旁路電路、H橋開關電路、檢流電路和勵磁時序電路組成[5]，如圖1所示。高壓電源的電壓值比低壓電源的高很多，其作用是使勵磁電流快速達到電流設定值。高壓電源激勵回路為：高壓電源→能量回饋電路→高低壓切換電路→電流旁路電路→H橋開關電路→勵磁線圈→檢流電路。低壓電源的作用是當勵磁線圈中電流上升到設定的勵磁電流值后，維持勵磁電流的穩(wěn)定。低壓電源激勵回路為：低壓電源→高低壓切換電路→恒流源控制電路→H橋開關電路→勵磁線圈→檢流電路。

圖1　基于高低壓電源切換的勵磁控制系統(tǒng)

在勵磁的開始階段，高壓電源產生的勵磁電流經過能量回饋電路、高低壓切換電路、電流旁路電路和H橋開關電路對勵磁線圈進行激勵。電流旁路電路的功能是實現電流的超調控制，以加快勵磁電流進入穩(wěn)態(tài)的過程[6]。但是，電流旁路上有壓降，將造成功率損耗。若壓降為1 V，勵磁頻率為12.5 Hz，勵磁電流上升的最大值為253 mA，上升時間為9 ms，則電流旁路的功率約為：

P1=UIt/T=1×0.253×0.5×0.018/0.08=0.028 5 W

為此，改進高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)中的高壓電源激勵回路。將恒流源控制電路放置在高低壓切換電路之前，這樣就不需要電流旁路電路對恒流源控制電路進行旁路，也能實現電流的超調控制，從而省去了電流旁路電路，減少了一個發(fā)熱源，勵磁控制系統(tǒng)的功耗減小0.028 5 W。同時，使加在勵磁線圈上的高壓電壓值增大了1 V，有助于提高勵磁電流上升的速度。改進后的高低壓電源勵磁控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　無電流旁路的勵磁控制系統(tǒng)

1.2　H橋開關電路改進

在高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)中，H橋開關電路的作用是改變勵磁線圈中勵磁電流的方向，實現方波勵磁，避免電極極化。H橋開關電路原理圖如圖3所示[5]。

圖3　基于達林頓管的H橋開關電路

H橋開關電路存在兩個問題。

一是高壓側橋臂采用電流控制型器件PNP型達林頓三極管，功耗較大。因為其壓降為0.9 V，若勵磁電流為181 mA，則兩個達林頓管交替工作時，其功率之和約為P2=UI=0.9×0.181=0.163 W。此外，達林頓管的開通上升時間和關斷下降時間都是微秒級別的，而低壓側橋臂使用的MOS管的開通上升時間和關斷下降時間是納秒級別的，從而造成上下兩個開關管的導通和關斷的步調不一致。

二是驅動電路功耗較大。驅動電路采用達林頓陣列管對勵磁信號進行放大，以提供較大的電壓。驅動電路的功耗大小與開關管開通和關斷速度是矛盾的。當使用的集電極上拉電阻的阻值較大時，可以減小電路的消耗，但是，過小的驅動電流會抑制開關管的開通和關斷速度。當集電極上拉電阻的阻值較小時，可以提供較大的驅動電流，但是，電路的消耗會明顯增加。在文獻[5]使用的驅動電路中，低壓側橋臂的驅動電流為0.75 mA,高壓側橋臂的驅動電流為0.21 mA,總功耗為0.11 W。

針對上述H橋開關電路的問題，本文設計了一種使用MOS管搭建的H橋開關電路，并采用集成芯片IR2110對其進行驅動，如圖4所示。

圖4　基于MOSFET的H橋開關電路

圖4中，H橋開關電路高壓側橋臂選用IRFB4020型MOS管，當勵磁電流為181 mA、驅動電壓為15 V時，開關管導通時的壓降只有0.02 V。這樣H橋高壓側橋臂的功耗之和只有0.003 6 W，僅為原來的2.22%。如果選用導通電阻更小的MOS管，則MOS管上的壓降還可以更小。同時，H橋開關電路高壓側橋臂和低壓側橋臂使用了同型號的MOS管，可以保證開關管的開通和關斷的時間基本一致。

采用自舉電容法進行H橋開關電路的驅動，具體電路用全橋驅動芯片IR2110來實現。IR2110是高電壓、高速度功率MOSFET驅動器，可以獨立地驅動一路高壓側MOS管和一路低壓側MOS管，驅動電流高達2 A，導通的上升時間和關斷的下降時間也僅為100 ns。集成芯片IR2110僅需要與少量的外圍分立元器件配合，即可實現對H橋開關電路的驅動。這是一種簡單、有效的驅動高壓側MOS管的方法。IR2110工作的功耗也比較小，僅有0.01 W。

改進后的H橋開關電路減小了H橋開關電路上的損耗，可以明顯改善勵磁電路的發(fā)熱問題。驅動電路可以提供更大的驅動電流，加快開關管導通和關斷的速度，有助于縮小死區(qū)時間，延長電壓對勵磁線圈的激勵時間。改進后的H橋開關電路的功耗僅為原來的H橋開關電路功耗的8.65%。

1.3　新恒流控制電路的研制

恒流源控制電路的作用是維持勵磁線圈中電流值的穩(wěn)定[7-9]，以在測量管中產生恒定的磁場，實現電磁流量計對流量的精確測量。文獻[5]介紹的恒流源控制電路由線性電源芯片和分立元器件設定電阻組成，如圖5所示。圖5中虛線部分為線性電源芯片的功能框圖，由帶隙基準電路和類似于自可調電阻的電路組成。帶隙基準電路使Vo引腳和Adj引腳之間的電壓維持在1.25 V，通過選取設定電阻值為Rset=1.25/Io來得到所需要的電流值Io。自可調電阻的功能是在負載電流恒定時，通過調節(jié)自身電阻的大小來承擔負載之外的所有多余電壓，實現負載上電壓的恒定。

圖5　恒流源控制電路

由線性電源芯片和設定電阻搭建的恒流源控制電路存在功耗大的問題。恒流源控制電路正常工作需要保證線性電源芯片的輸入端Ui和輸出端Uo之間滿足一定的壓差條件，即Ui-Uo≥3 V。若只滿足最小臨界的工作條件，當電源波動時，恒流源控制電路就難以繼續(xù)維持電流的穩(wěn)定。因此，Ui引腳和Uo引腳之間的壓差必須保留一定的裕量。文獻[5]中將低壓電源設定在17 V，勵磁電流設定在181 mA，線性電源芯片Ui引腳和Uo引腳之間的壓差為5.1 V，帶隙基準電壓即設定電阻上的電壓降為1.25 V。因此，在正常工作時，恒流源控制電路兩端的電壓降為6.35 V。當在環(huán)境溫度為30 ℃時，線性電源芯片溫度較高，接近60 ℃?？梢?，恒流源控制電路過大的壓降會導致嚴重的發(fā)熱問題。為了解決高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的功耗和發(fā)熱問題，減小恒流源控制電路的功耗尤為重要。

針對恒流源控制電路功耗大的問題，研制了新的恒流源控制電路，其功能框圖如圖6虛線框內所示。

圖6　研制的恒流源控制電路

研制的恒流源控制電路使用分立元器件搭建而成，由三極管、誤差放大器和基準電壓源3個功能模塊組成。三極管接在負載電路中，基準電壓源為誤差放大器的負相端提供參考基準電壓，用來設置流過負載中電流值的大小；檢流電路把負載上流過的電流轉換成反饋電壓并送至誤差放大器的正相輸入端；誤差放大器通過調節(jié)三極管上的壓降維持負載上流過電流的穩(wěn)定?；鶞孰妷涸慈龢O管工作在線性可變電阻區(qū)，誤差放大器通過調節(jié)三極管基極電流的大小，改變三極管上的壓降，達到調節(jié)電流的效果。

電流的調節(jié)過程為：當負載上的電流減小時，檢流電路上的反饋電壓小于基準源電壓，誤差放大器的輸出信號減小，流過三極管的電流增大，從而使流過負載的電流增大，三極管上的壓降減小；當負載上的電流增大時，檢流電路上的反饋電壓大于基準源電壓，誤差放大器的輸出信號增大，流過三極管的電流減小，從而使流過負載上的電流減小，三極管上的壓降增大。用運算放大器和分立元器件搭建誤差放大器，克服了因運算放大器開環(huán)增益過大而引起的電流控制波動問題。

與文獻[5]介紹的恒流源控制電路相比，研制的新恒流源控制電路的基準電壓源由外部電路提供，與線性電源芯片相比，其幅值可以較小且可以調節(jié)。研制的恒流源電路可以直接從檢流電路上取得反饋電壓，和基準源電壓相比較，減少了設定電阻上的功耗。三極管工作時需要的壓降更小，從而使恒流源控制電路上的壓降大大減小，極大地減小了恒流源控制電路的功耗。

測試結果表明，研制的恒流源控制電路將勵磁電流穩(wěn)定在181 mA時，恒流源電路中的三極管兩端的壓降僅為0.8 V。為了提高恒流源控制電路的抗干擾能力，將其兩端的電壓控制在2 V。這樣恒流源控制電路的壓降由原來的6.35 V降到了2 V，電路功耗降低約0.787 W。對降壓之后的恒流源控制電路進行溫度測試，恒流源控制電路的最高溫度不到40 ℃，發(fā)熱量大為降低。

2結束語

本方案改進了勵磁電路的結構，將恒流源電路置于高低壓切換電路前，這樣僅用高低壓切換電路就能實現文獻[5]電路中的切換電路和旁路電路的功能，使高壓電源激勵回路得到簡化，勵磁電路功率減少0.028 5 W；加在勵磁線圈上的電壓增加了1 V，有助于加快勵磁電流上升的速度。改進了勵磁電路中的H橋開關電路，采用MOS管替代高壓側橋臂的達林頓管，并且使用集成芯片IR2110驅動H橋電路，提高了開關速度，減小了死區(qū)時間，降低了H橋開關電路功耗(0.25 W)。同時，研制了新的恒流源控制電路，恒流源電路功耗降低0.787 W。

通過以上改進，使線性電源芯片器件的表面溫度由55 ℃降低到39 ℃，低壓電源值由17 V降到12 V，高低壓電源切換勵磁控制電路的功耗降低了約43%，電磁流量計中功耗最大的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的發(fā)熱狀況得到了很大改善。該成果已經申報國家發(fā)明專利。

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中圖分類號：TH81;TP216

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508021

修改稿收到日期：2014-12-07。

第一作者許偉(1992-)，男，現為合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院DSP實驗室在讀碩士研究生；主要從事DSP應用方面的研究。