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        一款實(shí)用模塊化驅(qū)動(dòng)電源的研究與制作

        2021-06-20 09:49:10張宏偉
        電子制作 2021年9期
        關(guān)鍵詞:干擾信號(hào)諧振濾波

        張宏偉

        (河北科技大學(xué),河北石家莊,050018)

        調(diào)音臺(tái)作為音響系統(tǒng)的重要組成部分,其驅(qū)動(dòng)電源基本要求是輸出電壓穩(wěn)定,輸出電流紋波小。作者結(jié)合多年使用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)課教學(xué)實(shí)踐,制作了一款18V、100W 的模塊化調(diào)音臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源樣機(jī),使用靈活方便,效果良好,滿足了在不同場(chǎng)合下的需要。

        1 調(diào)音臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)

        該驅(qū)動(dòng)電源主體電路采取五級(jí)架構(gòu),保障調(diào)音臺(tái)的穩(wěn)定可靠供電。第一級(jí)采用EMI 濾波電路,其功能是起雙向?yàn)V波;第二級(jí)是橋式整流電路,其功能是將交流電整流成直流電;第三級(jí)采用PFC 電路,其目的是為后一級(jí)電路提供穩(wěn)定的輸出電壓,同時(shí)對(duì)本級(jí)電路進(jìn)行功率因數(shù)的補(bǔ)償和校正;第四級(jí)是LLC 諧振半橋變換器,主要任務(wù)是完成前后兩級(jí)電路的隔離和降壓恒壓作用,該變換器還具有較高的轉(zhuǎn)換效率;第五級(jí)為濾波電路,目的是進(jìn)一步減小輸出電流的波動(dòng)程度,使其工作在最佳的狀態(tài)。見(jiàn)圖1 所示。

        圖1

        2 驅(qū)動(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)

        ■2.1 EMI 濾波電路設(shè)計(jì)

        此電路應(yīng)具備以下功能:

        (1)雙向?yàn)V波功能:無(wú)論是從電網(wǎng)到電源,還是自電源向電網(wǎng),都具有濾除高次諧波的功能;

        (2)對(duì)從電網(wǎng)側(cè)傳遞過(guò)來(lái)的共模干擾信號(hào)和差模干擾信號(hào)都具有較強(qiáng)的抑制效果。

        為實(shí)現(xiàn)上述功能,選擇如圖2所示的高頻增強(qiáng)型EMI濾波結(jié)構(gòu)[1]。R1和R2為差模電容泄放電阻,它與芯片CAPZero 共同作用后實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)接通交流電源后,可阻斷差模電容CX1通過(guò)泄放電阻R1和R2中的充電電流,將接通電源后的功率損耗降到最小,而在交流電源斷電后差模電容CX1通過(guò)泄放電阻R1和R2放電,使其兩端電壓為零,避免用戶接觸到插頭時(shí)觸電,電路中設(shè)置壓敏電阻RV1其目的是用來(lái)吸收電源側(cè)輸入的交流浪涌電壓。T1 和T2 的作用主要是抑制共模干擾信號(hào),CX1和CX2的主要作用是抑制差模干擾信號(hào),CY1和CY2對(duì)于高頻信號(hào)相當(dāng)于短路,可以旁路掉共模噪聲。

        圖2

        ■2.2 單相橋式整流電路設(shè)計(jì)

        該電路的作用是將交流電整流成直流電,其電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,不再累述。

        ■2.3 功率因數(shù)校正(PFC)電路設(shè)計(jì)

        目前的PFC 有兩種,無(wú)源PFC 和有源PFC。

        無(wú)源PFC 電路其成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性能好,缺點(diǎn)是功率因數(shù)只能達(dá)到0.7~0.8,電源體積大,成本增加,使用場(chǎng)合上受到了很大的限制。而有源PFC 電路由于體積小、通過(guò)專用集成電路(IC)去調(diào)整電流的波形,其功率因數(shù)可達(dá)0.9 以上,輸出直流電壓很平穩(wěn),輸出紋波很小,諧波含量較低,失真較小,輸出功率較大,其缺點(diǎn)是制造成本也相對(duì)較高。其電路如圖3 所示。

        圖3

        電路的基本工作原理如下:

        從電網(wǎng)輸入的交流電壓經(jīng)由四個(gè)二極管組成的橋式整流電路整流后,得到一直流脈動(dòng)電壓作為PFC 電路的輸入電壓,經(jīng)C1濾掉高頻干擾信號(hào),再經(jīng)R8、R9、R16進(jìn)行分壓后,得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦半波電壓,作為采樣電壓加在功率因數(shù)校正器芯片L6562 的輸入腳3上,以此來(lái)確定該電路的電壓波形和相位[2]。電路中電容C8的作用是濾掉L6562的3 腳上的高頻干擾信號(hào),R3、R5為啟動(dòng)電阻直接接到芯片L6562 的電源腳8 上,R3、R5的阻值要適當(dāng),即不能太大,也不能太小,阻值太小可能會(huì)使加在芯片上的電壓太高而燒壞芯片,阻值太大由于加在芯片上的電壓太低可能會(huì)使芯片不能啟動(dòng)工作。當(dāng)芯片正常啟動(dòng)之后,由D3、D4、C3、R6以及升壓電感的副邊組成L6562 的供電電源。通過(guò)電阻R15將升壓電感線圈T3 的副邊繞組接到芯片L6562 的零電流檢測(cè)引腳5 腳上,當(dāng)檢測(cè)到電感電流為零時(shí),芯片L6562 的7 腳輸出一觸發(fā)信號(hào)經(jīng)電阻R11 加在開(kāi)關(guān)管Q1 的柵極上使之導(dǎo)通。R4、R7、R12、R13組成分壓電路,將Vout(395V)電壓分壓后,得到一個(gè)VFB2.5(2.5V)的參考電壓輸入到芯片L6562 的1、2 腳,構(gòu)成電壓負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),用于穩(wěn)定輸出電壓。

        ■2.4 變換器設(shè)計(jì)

        作為變換器,其功能是對(duì)前后兩級(jí)電路進(jìn)行隔離,同時(shí)變換本級(jí)的電流、電壓。本設(shè)計(jì)采用LLC 半橋諧振變換器[3],理由如下:第一、電路中對(duì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率要求不高,且頻率變化范圍小,便于控制,第二、開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)控制,能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)損耗降到了最低,因而其轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到最高;第三、在電路結(jié)構(gòu)上采用LLC 半橋諧振變換器可與前級(jí)電路進(jìn)行良好的銜接。在實(shí)際中LLC 諧振半橋的整體電路圖如圖4 所示。

        圖4

        圖中芯片L6599 是專為L(zhǎng)LC 諧振半橋拓?fù)潆娐范_(kāi)發(fā)的雙端控制器,其內(nèi)部含有一個(gè)高精度振蕩器,其工作頻率高達(dá)500kHz,能夠完全滿足諧振變換器對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的要求。它的高(15 腳)、低(11 腳)端門極在輸出高、低驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)有一個(gè)固定的間歇時(shí)間,這樣在驅(qū)動(dòng)LLC 半橋諧振電路的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1、Q2 時(shí),可以有效的避免它們同時(shí)導(dǎo)通而造成橋路短接燒毀開(kāi)關(guān)管,提高了電路的安全性和可靠性[4]。

        在圖4 中前級(jí)PFC 輸出電壓經(jīng)R2、R4、R5、R7分壓后,得到大約1.7V 的采樣電壓送到芯片L6599 的7 腳上,其目的是對(duì)電路進(jìn)行欠壓保護(hù)[5],當(dāng)芯片L6599 的7 腳上的電壓低于1.25V時(shí),芯片不工作,當(dāng)7 腳上的電壓在1.25~6V范圍時(shí),芯片正常工作,LLC 諧振半橋電路正常工作。

        在芯片L6599 通電后,電容 9C在其1 腳的作用下被充電,此時(shí)相當(dāng)于電阻R11、R12的另一端對(duì)地短路,此時(shí)4腳外接電阻變小,電路的振蕩頻率升高;當(dāng)電容 9C充滿電后,對(duì)地相當(dāng)于斷路,電阻R11、R12的另一端處于懸空狀態(tài),電阻變大,振蕩頻率降低,電源輸出正常電壓,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),芯片正常工作,在忽略高(15 腳)、低(11 腳)端驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有的間歇時(shí)間的情況下,引腳15 端和引腳11 端輸出互補(bǔ)對(duì)稱占空比各為0.5 的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)給LLC 諧振半橋的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1、Q3,使其交替工作。

        Q1、Q3 為L(zhǎng)LC 半橋電路主體部分,在L6599 的控制下而交替工作,輸出方波電壓經(jīng)變壓器送給同步整流電路。

        同步整流電路的控制器采用智能芯片TEA1795T。MOS管Qsec1或Qsec2的柵極分別接TEA1795T 的3 腳或6 腳,在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),芯片TAE1795T 不具有同步整流功能;芯片TAE1795T 的1 腳、4 腳和5 腳、8 腳通過(guò)電阻R16 或電阻R17 分別檢測(cè)Qsec1、Qsec2的漏極與源極之間的電壓,若其中一個(gè)漏極與源極之間的電壓低于芯片TAE1795T 內(nèi)部的基準(zhǔn)值-220mV時(shí),相應(yīng)的MOS 管柵極連接的引腳3 腳(或5 腳)就會(huì)發(fā)出相應(yīng)電平的驅(qū)動(dòng)信號(hào),使相應(yīng)的MOS 管(Qsec1或Qsec2)導(dǎo)通。當(dāng)變壓器TA1 輸出正半周時(shí)Qsec1導(dǎo)通,Qsec2截止;當(dāng)變壓器TA1 輸出負(fù)半周時(shí) Qsec2導(dǎo)通,Qsec1截止。在芯片TAE1795T 的驅(qū)動(dòng)下,兩個(gè)MOS 管交替導(dǎo)通就可實(shí)現(xiàn)同步整流[6]。

        3 實(shí)驗(yàn)

        制作的18V、100W 電源樣機(jī)如圖5 所示。

        圖5

        ■3.1 負(fù)載變化時(shí)恒壓測(cè)試

        當(dāng)輸入交流220V 電壓時(shí),負(fù)載側(cè)接一可調(diào)電阻,調(diào)節(jié)可調(diào)電阻,使輸出電流發(fā)生變化,輸出電壓如表1 所示。

        表1 輸出電壓的測(cè)量值

        ■3.2 電源電壓變化時(shí)恒壓測(cè)試

        負(fù)載側(cè)接4.5Ω 的固定電阻,當(dāng)輸入交流電壓變化時(shí),輸出電壓如表2 所示。

        表2 輸出電壓的測(cè)量值

        ■3.3 電流紋波測(cè)量

        當(dāng)輸入電壓為交流220V,在電源輸出端連接一個(gè)可調(diào)電位器,當(dāng)調(diào)節(jié)電位器時(shí),輸出電流如圖表3 所示。

        表3 輸出電流的測(cè)量值

        分析以上數(shù)據(jù)可知;最大誤差為2.78%(此時(shí)功率已超過(guò)100W),可見(jiàn)輸出電流中的交流成分是比較小的。

        4 結(jié)論

        由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,主要由PFC 電路、LLC 諧振半橋變換器所組成的這款模塊化驅(qū)動(dòng)電源樣機(jī),無(wú)論是輸出電壓,還是輸出電流基本上都達(dá)到了預(yù)期的效果。

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