李紅巖， 杜京義

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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一種實(shí)驗(yàn)室用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試

李紅巖， 杜京義

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

設(shè)計(jì)了一種基于電子變壓器的高效率低成本實(shí)驗(yàn)室電源。該電源有四路輸出，前三路固定輸出，分別為36、15、5 V；另一路輸出電源從0～30 V連續(xù)可調(diào)。電路采用具有雙反饋控制環(huán)的BUCK型變換器來(lái)保證輸出電壓和電流的連續(xù)可調(diào)。該變換器的主電路采用L4960作為控制芯片；利用電阻采樣法和差動(dòng)放大器、比較器原理設(shè)計(jì)了采樣電路、反饋控制電路。為了進(jìn)一步降低負(fù)載調(diào)整率和輸出紋波，設(shè)計(jì)了恒流放電負(fù)載和低壓差動(dòng)態(tài)濾波器。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該實(shí)驗(yàn)室電源的功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，效率達(dá)到80%以上，輸出電壓紋波僅為10 mV。

實(shí)驗(yàn)室電源； 反饋； 電子變壓器； 濾波器

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室電源，即實(shí)驗(yàn)室用具有固定輸出和可調(diào)輸出的直流穩(wěn)壓電源[1]。由于在科研和實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室電源需要面臨復(fù)雜多變的環(huán)境，比如：過流、短路、突然斷電或者溫度過高等，所以實(shí)驗(yàn)室電源并不同于傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源，它對(duì)電源調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、電壓紋波、抗過載能力等均具有一定的要求。另外，它的輸出電壓和保護(hù)電流通常需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，再加上許多學(xué)生電路基礎(chǔ)知識(shí)薄弱,對(duì)電源、器件和儀表的電氣特性缺乏了解，加上普遍動(dòng)手能力不強(qiáng)，因此實(shí)驗(yàn)過程中，電路設(shè)計(jì)不合理、接線錯(cuò)誤、電源調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)惹闆r時(shí)有發(fā)生[2]。經(jīng)常出現(xiàn)短路、過壓、過流等現(xiàn)象。而實(shí)驗(yàn)室使用的直流電源通常是通用的可調(diào)穩(wěn)壓電源，其價(jià)格高、功能強(qiáng)、操作復(fù)雜，但對(duì)外電路的保護(hù)功能較弱，因此在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)二極管燒壞、電流表指針無(wú)法恢復(fù)等現(xiàn)象[3-4]。本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的，具有短路、過電壓、過電流保護(hù)功能的實(shí)驗(yàn)電源。

1 開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室電源指標(biāo)：輸入90～245 VAC，輸出5 V/1.5 A、15 V/1.2 A、36 V/1 A，可調(diào)輸出0～30/0～3 A。

為了滿足實(shí)驗(yàn)室電源對(duì)效率、體積、質(zhì)量等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求，通過對(duì)比線性電源與開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)，最終設(shè)計(jì)選擇了使用開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。該方案的的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖

其工作原理為：220 V工頻交流電經(jīng)過Boost型有源功率因數(shù)校正(APFC)電路，得到400 V的直流電壓。400 V的直流電壓經(jīng)過橋式電子變換器，得到±200 V的高頻交流方波電壓。高頻交流方波電壓經(jīng)過高頻變壓器由初級(jí)側(cè)耦合到次級(jí)側(cè)。然后再經(jīng)過整流濾波電路，得到穩(wěn)定的36、15和5 V輸出電壓。其中，36 V輸出分兩路,一路通過光耦反饋給APFC電路；另一路作為下一級(jí)變換器的輸入；15 V輸出為運(yùn)放提供工作電壓；5 V輸出也分為兩路，一路為固定輸出，也為單片機(jī)和顯示電路供電；另一路則為基準(zhǔn)源。36 V直流電壓經(jīng)過帶有電壓和電流雙反饋環(huán)的BUCK型電子變換器，得到0～30 V連續(xù)可調(diào)的直流輸出電壓，保護(hù)電流也可在0～3 A任意設(shè)置。其中，輸出采樣電壓與0～5 V連續(xù)可調(diào)的參考電壓比較，得到的誤差放大信號(hào)經(jīng)過反饋來(lái)控制BUCK型變換器，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào)；輸出釆樣電流與連續(xù)可調(diào)的0～5 A參考電流比較，得到的誤差放大信號(hào)反饋控制BUCK型變換器，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電流連續(xù)可調(diào)[5]。電壓、電流及過流釆樣信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路處理后傳送至單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 IR2155芯片

本設(shè)計(jì)使用了一種基于IR2155的電子變壓器設(shè)計(jì)方案，該方案利用一個(gè)簡(jiǎn)單的8引腳芯片實(shí)現(xiàn)了其他的兩個(gè)芯片組合才能完成的功能，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，增加了所設(shè)計(jì)電子變壓器的可靠性。IR2155內(nèi)部采用了浮動(dòng)通道設(shè)計(jì)，具有自舉方式工作和欠壓鎖定等功能，通常應(yīng)用于開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器中[5-6]。IR2155的內(nèi)部原理圖如圖2所示。

圖2 IR2155的內(nèi)部原理圖

由圖2可知，RT和CT分別為外接定時(shí)電阻和電容的引腳，可根據(jù)下式來(lái)確定電路的工作頻率；內(nèi)部的2個(gè)欠壓檢測(cè)電路將控制死區(qū)時(shí)間電路和CT端，一旦發(fā)生欠壓，可以使端CT下拉，從而使高、低端都無(wú)電壓輸出。

內(nèi)部電路分為高端通道和低端通道。其中，VCC是低端和邏輯固定供電引腳，COM為低端返回引腳，兩引腳內(nèi)接有一個(gè)15.6 V的穩(wěn)壓管，可通過外接RC降壓電路為其供電；VB為高端浮動(dòng)供電引腳，VS為高端浮動(dòng)供電返回引腳，兩引腳之間可外接一個(gè)電容，通過自舉二極管由VCC為其供電；HO和LO分別為高、低端門驅(qū)動(dòng)輸出引腳，工作時(shí)輪流導(dǎo)通，可用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率MOSFET或IGBT。此外，芯片內(nèi)部還集成有死區(qū)時(shí)間控制電路，目的是避免外接的兩只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，其中，死區(qū)時(shí)間Td=1.2 μs，HO和LO端輸出電壓的占空比相等，即：

2.2 橋式電子變壓器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于IR2155的橋式電子變壓器如圖3所示。

由圖3可以看出，400 V直流電壓通過電阻R1為電容C3充電，由于受IR2155內(nèi)部穩(wěn)壓管的電壓鉗位，

圖3 基于IR2155的橋式變壓器原理圖

C3兩端的電壓會(huì)穩(wěn)定在15 V左右，從而為芯片提供正常的工作電壓。但是最后實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重載時(shí)VCC端電壓會(huì)降至9 V以下，從而導(dǎo)致IR2155進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)中又添加了一個(gè)副繞組為其提供穩(wěn)定的15 V電壓。二極管D1和電容C5構(gòu)成自舉電路，為高端浮置通道提供電壓。HO和LO端分別通過一個(gè)限流電阻來(lái)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Q1和Q2輪流導(dǎo)通。由于在橋式電路中，對(duì)開關(guān)管的最大允許電流要求較高，另外考慮到開關(guān)管關(guān)斷時(shí)要承受400 V左右的高壓，因此本設(shè)計(jì)中選取了最大允許電流8 A，耐壓值500 V的場(chǎng)效應(yīng)管IRF840。

根據(jù)電子變壓器的特性可知，當(dāng)變壓器的工作頻率提高時(shí)，其體積和重量會(huì)成反比例減小，但是帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)是變壓器繞組的損耗增大，效率降低，對(duì)磁芯和繞組的材質(zhì)要求也會(huì)提高。所以設(shè)計(jì)中進(jìn)行了折中考慮，頻率選擇為70 kHz左右[7-9]。若C4選擇的1nF瓷片電容，則可計(jì)算出R2的阻值為10 kΩ。

高頻變壓器的設(shè)計(jì)主要包括磁芯的選取和繞組距數(shù)的確定。這里設(shè)計(jì)的變壓器為額定初級(jí)電感量214 μH，估計(jì)氣隙0.41 mm。選取ETD29/16/10型號(hào)骨架。變壓器的磁芯材料選取猛鋅鐵氧體，其飽和磁通密度Bs為0.3～0.5 T，剩余磁通密度Br=0.1 T，所以可確定工作磁通密度Bw=0.15 T。繞組匝數(shù)與繞線方式如圖4所示。

圖4 高頻變壓器的匝數(shù)及繞線方式圖

2.3 基于L4960的BUCK型變換器主電路

由于L4960內(nèi)部集成了功率輸出級(jí)，所以外部不需要再添加開關(guān)管，整體電路非常簡(jiǎn)單，即為典型的BUCK型開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10-12]。該主電路圖不包括電壓和電流反饋環(huán)，其中FB-V為輸出電壓反饋控制端口，CTR為保護(hù)電流反饋控制端口。基于L4960設(shè)計(jì)的BUCK型變換器的主電路圖如圖5所示。D1作為續(xù)流二極管，其正向?qū)▔航翟叫≡胶?，反向恢?fù)時(shí)間越短越好，故設(shè)計(jì)中選取的是肖特基二極管SR2100。

圖5 基于L4960設(shè)計(jì)的BUCK型變換器主電路圖

2.4 輸出電流和輸出電壓采樣電路的設(shè)計(jì)

在圖6中，采樣電阻Rs放置于低壓側(cè)，電路可直接通過運(yùn)放構(gòu)成的差動(dòng)放大器采樣出Rs上的壓降[13-14]。另外，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，運(yùn)放LM324在輸入電壓小于10 mV時(shí)，放大特性存在非線性，故需要額外為其提供一定的輸入電壓UC1，造成的誤差可通過單片機(jī)進(jìn)行校正。

圖6 低壓端電流釆樣電路圖

2.5 輸出電壓反饋調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)

基于比較器原理設(shè)計(jì)了一種電壓反饋調(diào)節(jié)電路[11]，如圖7所示。圖7中，U1D構(gòu)成了比較放大器，其正向端的輸入電壓為US-V，負(fù)向端的輸入電壓為可調(diào)參考電壓UCH1-V，輸出電壓為UFB-V，其中，UFB-V將反饋給L4960的FB端，用于控制其內(nèi)部的功率輸出級(jí)導(dǎo)通或關(guān)斷，從而控制輸出電壓。為了避免電位器的阻值影響比較放大器的阻抗匹配，所以在電位器輸出端和比較放大器的負(fù)向輸入端之間增設(shè)了一個(gè)跟隨器U1C。為了克服輸出電壓難以從0 V起調(diào)的問題，為比較放大器額外提供了一個(gè)基準(zhǔn)電壓UC2=5 V[15]。

圖7 電壓反饋調(diào)節(jié)電路電路圖

3 實(shí)驗(yàn)室電源樣機(jī)的調(diào)試

通過對(duì)電子變壓器的功能、穩(wěn)壓特性和整機(jī)的輸入與輸出電壓范圍、可調(diào)保護(hù)電流范圍、短路保護(hù)功能、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、轉(zhuǎn)換效率、紋波電壓、體積、重量等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了綜合測(cè)試，并對(duì)樣機(jī)的制作成本進(jìn)行了估算。實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)的基于電子變壓器的實(shí)驗(yàn)室電源具有寬電壓輸入范圍；輸出電壓與保護(hù)電流連續(xù)可調(diào)；短路保護(hù)以及高功率因數(shù)等特性，并且，相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室電源降低了電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和成本，減小了體積和質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

需要注意的問題有：

(1)輸入整流部分：采用二極管整流，輸入電流最大值0.3 A，選取額定電流2 A的整流橋，輸出濾波電容按選3 μF/W取，取值為220 μF。由于輸入濾波電容較大，為了防止上電一瞬間沖擊電流過大，輸入接10 Ω熱敏電阻限流。

(2) MOS管鉗位：為了防止MOS管因?yàn)檫^壓擊穿，使用TVS、R、C、VD式鉗位電路，TVS選取180 V瞬態(tài)抑制二極管，使鉗位電壓鉗位在175 V。鉗位電阻取3個(gè)33 kΩ并聯(lián)，估計(jì)鉗位損耗3 W。

(3)主控制器件：?jiǎn)?dòng)欠壓過壓保護(hù)，選取保護(hù)電阻為4 MΩ，取兩個(gè)2 MΩ電阻串聯(lián)。啟動(dòng)過流保護(hù)，限流值2.7 A，取限流電阻7.15 kΩ。反饋采用TL431+光耦配合進(jìn)行隔離反饋。

(4)每路可分別達(dá)到滿載值，但考慮交叉負(fù)載調(diào)整性，在副輸出(15 V、27 V)電流同時(shí)或總共較大時(shí)禁止主輸出5 V帶載。此時(shí)若想使用5 V，可由可調(diào)路輸出?？烧{(diào)路與27 V占用同一通道，即這兩路同時(shí)最大輸出電流總計(jì)1 A，可調(diào)路單獨(dú)輸出最大0.8 A。若5 V輸出較大電流時(shí)副輸出會(huì)飄高，但已被限制在安全值，故不可使5 V過功率運(yùn)行。系統(tǒng)有過熱保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)過熱時(shí)會(huì)關(guān)閉輸出。若想使用大功率長(zhǎng)時(shí)間輸出，需加強(qiáng)散熱。

所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室開關(guān)電源實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)室開關(guān)電源實(shí)物圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于電子變壓器的高效率低成本的實(shí)驗(yàn)室用開關(guān)電源。該電源有四路輸出：一路固定輸出36 V，一路固定輸出15 V，一路固定輸出5 V，一路輸出電源從0～30 V連續(xù)可調(diào)。電路采用具有雙反饋控制環(huán)的BUCK型變換器來(lái)保證輸出電壓和電流的連續(xù)可調(diào)。該變換器的主電路采用L4960作為控制芯片；利用電阻采樣法和差動(dòng)放大器、比較器原理設(shè)計(jì)了采樣電路、反饋控制電路。為了進(jìn)一步降低負(fù)載調(diào)整率和輸出紋波，設(shè)計(jì)了恒流放電負(fù)載和低壓差動(dòng)態(tài)濾波器。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基于電子變壓器設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室電源的功率因數(shù)達(dá)到了0.95以上，效率達(dá)到80%以上，輸出電壓紋波僅為10 mV,相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室電源大大減小了體積和重量，降低了成本。

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Design and Debugging of Switching Power Supply for Laboratory

LIHong-yan，DUJing-yi

(College of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China)

A high efficiency and low cost laboratory power supply is designed based on electronic transformer is designed. The power supply can provide four outputs, one is fixed output 36 V, the other fixed output 15 V, the third fixed output voltage 5 V, and the fourth output is adjustable voltage from a 0～30 V continuous adjustable,. the The circuit uses a BUCK type converter with a dual feedback control loop to ensure continuous adjustable output voltage and current. The main circuit of the converter using uses L4960 peripheral circuit, hence it is simple and the its price is cheap as the control chip. The sampling circuit and feedback control circuit are used resistance sampling method and differential amplifier, a comparator principle design of sampling circuit, a feedback control circuit. In order to further reduce the load adjustment rate and the output ripple, the design of the constant current discharge load and low pressure differential dynamic filter are adopted. Measured data show that the power factor of electronic transformer is more than 0.95, the efficiency reaches more than 80%, output voltage ripple is only 10 mV. It greatly reduces the volume and weight compared with traditional laboratory power supply, and also reduces the cost.

laboratory power supply; feedback; electronic transformer; filter

2015-07-13

西安科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自研儀器設(shè)備項(xiàng)目(201410704025)

李紅巖(1980-)，男，山東東阿人，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事嵌入式技術(shù)、智能控制方向的研究。

Tel.:13310940531；E-mail: lihongyan@xust.edu.cn

TM 643

A

1006-7167(2016)05-0082-04