一种输出电压4～16V 开关稳压电源的设计

　　１引言

　　在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在５～１５Ｖ，电流在５～４０Ａ的电源。而一般实验用电源电流只有５Ａ、１０Ａ。为此专门开发了电压４Ｖ～１６Ｖ连续可调，输出电流４０Ａ的开关电源。它采用了半桥电路，所选用开关器件为功率ＭＯＳ管，开关工作频率为５０ｋＨｚ，具有重量轻、体积小、成本低等特点。

　　２主要技术指标

　　１）交流输入电压ＡＣ２２０Ｖ±２０％；

　　２）直流输出电压４～１６Ｖ可调；

　　３）输出电流０～４０Ａ；

　　４）输出电压调整率≤１％；

　　５）纹波电压Ｕｐｐ≤５０ｍＶ；

　　６）显示与报警具有电流／电压显示功能及故障告警指示。

　　３基本工作原理及原理框图

　　该电源的原理框图如图１所示。

　　２２０Ｖ交流电压经过ＥＭＩ滤波及整流滤波后，得到约３００Ｖ的直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率ＭＯＳ管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。

　　４各主要功能描述

　　４．１交流ＥＭＩ滤波及整流滤波电路

　　交流ＥＭＩ滤波及整流滤波电路如图２所示。

　　电子设备的电源线是电磁干扰（ＥＭＩ）出入电子设备的一个重要途径，在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有ＩＥＣ插头电网滤波器和ＰＣＢ电源滤波器组成。ＩＥＣ插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。ＰＣＢ电源滤波器主要是抑制功率开关转换时产生的高频噪声。

　　交流输入２２０Ｖ时，整流采用桥式整流电路。如果将ＪＴＩ跳线短连时，则适用于１１０Ｖ交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻Ｒ１和继电器Ｋ１组成的输入软启动电路。

　　４．２半桥式功率变换器

　　该电源采用半桥式变换电路，如图６所示，其工作频率５０ｋＨｚ，在初级一侧的主要部分是Ｑ４和Ｑ５功率管及Ｃ３４和Ｃ３５电容器。Ｑ４和Ｑ５交替导通、截止，在高频变压器初级绕组Ｎ１两端产生一幅值为Ｕ１／２的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Ｑ４和Ｑ５采用ＩＲＦＰ４６０功率ＭＯＳ管。

　　４．３功率变压器的设计

　　１）工作频率的设定

　　工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为ｆｓ＝５０ｋＨｚ。

　　Ｔ＝１／ｆｓ＝１／５０ｋＨｚ＝２０μｓ

　　２）磁芯选用

　　①选取磁芯材料和磁芯结构

　　选用Ｒ２ＫＢ铁氧体材料制成的ＥＥ型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。

　　②确定工作磁感应强度Ｂｍ

　　Ｒ２ＫＢ软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Ｂｓ＝０．４７Ｔ，考虑到高温时Ｂｓ会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定Ｂｍ＝１／３Ｂｓ＝０．１５Ｔ。

　　③计算并确定磁芯型号

　　磁芯的几何截面积Ｓ和磁芯的窗口面积Ｑ与输出功率Ｐｏ存在一定的函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为

　　式中：η——效率；

　　ｊ——电流密度，一般取３００～５００Ａ／ｃｍ２；

　　Ｋｃ——磁芯的填充系数，对于铁氧体Ｋｃ＝１；

　　Ｋｕ——铜的填充系数，Ｋｕ与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为０．１～０．５左右。

　　由厂家手册知，ＥＥ５５磁芯的Ｓ＝３．５４ｃｍ２，Ｑ＝３．１０４２ｃｍ２，则ＳＱ＝１０．９ｃｍ４，ＥＥ５５磁芯的ＳＱ值大于计算值，选定该磁芯。

　　３）计算原副边绕组匝数

　　按输入电压及输出满载的情况（此时占空比）来计算原副边绕组匝数，已知Ｕｍｉｎ＝１７６Ｖ经整流滤波后直流输入电压Ｕｄｍｉｎ＝１．２×１７６＝２１１．２Ｖ。

　　对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半，即Ｕｐｍｉｎ＝Ｕｄｍｉｎ／２＝１０５．６Ｖ，设占定比Ｄｍａｘ＝０．９，则

　　次级匝数计算时取输出电压值Ｕｏｍａｘ＝１６Ｖ。次级电路采用全波整流，Ｕｓ为次级绕组上的感应电压，Ｕｏ为输出电压，Ｕｆ为整流二极管压降，取１Ｖ。Ｕｚ为滤波电感等线路压降，取０．３Ｖ，则

　　４）选定导线线径

　　在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（２）决定

　　式中：ω为角频率，ω＝２πｆｓ；

　　μ为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率μｒ＝１，则μ＝μ０×μｒ＝４π×１０－７Ｈ／ｍ；

　　γ为铜的电导率，γ＝５８×１０－６Ωｍ；

　　穿透深度Δ的单位为ｍ。

　　变压器工作频率５０ｋＨｚ，在此频率下铜导线的穿透深度为Δ＝０．２９５６ｍｍ，因此绕组线径必须是直径小于０．５９ｍｍ的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取３～６Ａ／ｍｍ２，故这里选用０．５６ｍｍ的漆包线８股并联绕制初级共１０匝，次级选用厚０．１５ｍｍ扁铜带绕制２匝。

　　４．４辅助电源的设计

　　辅助电源采用ＲＣＣ变换器（ＲｉｎｇｉｎｇＣｈｏｋｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ），见图３。其输入电压为交流２２０Ｖ整流滤波电压，输出直流电压为１２．５Ｖ，输出直流电流为０．５Ａ。电路中Ｑ８和变压器初级绕组线圈Ｎ１与反馈绕组线圈Ｎ３构成自激振荡。Ｒ７２为启动电阻。Ｑ９、Ｒ７７构成辅助电源初级过流保护。Ｄ２０、Ｃ８１、ＺＤ１、Ｑ１１、Ｒ７５、Ｒ７６构成电压检测与稳压电路，控制Ｑ８的基极电流的直流分量，从而保持输出电压恒定，变压器采用ＥＥ１９、ＬＰ３材质构成。初级１８０匝，反馈绕组５．５匝，次级１１匝，初级电感量是２．６ｍＨ，磁芯中间留有间隙０．４ｍｍ。

　　４．５驱动电路

　　驱动电路如图４所示。ＴＬ４９４输出５０ｋＨｚ的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率ＭＯＳ管。次级脉冲电压为正时，ＭＯＳ管导通，在此期间Ｑ７截止，由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则Ｑ７导通，快速泄放ＭＯＳ管栅级电荷，加速ＭＯＳ管截止。Ｒ７０是用于抑制驱动脉冲的尖峰，Ｒ６８、Ｄ１５、Ｒ６７可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。Ｄ１７和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。

　　４．６风扇风速控制电路

　　风扇风速控制电路见图５。利用二极管正向管压降随温度升高而呈下降趋势的特性，将Ｄ９、Ｄ１０做为散热器温度采样器件。方法是将Ｄ９、Ｄ１０两二极管紧靠在散热器上，当散热器随输出功率加大而温度升高时，运放Ｎ２Ａ正相输入端电平降低，输出低电平使三极管Ｑ３开始导通，风机上电压升高，转速升高，终到达转速。当负载较轻，使散热器温度低于５０℃时，Ｎ２Ａ输出高电平，Ｑ３不导通，辅助电源１２．５Ｖ经电阻Ｒ５７降压给风机供电，风机处于低速、低噪声运行状态。此电路可以提高风机工作寿命，增加电路可靠性，亦可在小负载情况下，减少风机带来的噪声。

　　４．７ＰＷＭ控制电路

　　控制电路采用通用脉宽调制器ＴＬ４９４，具有通用性和成本低等优点，见图６。输出电压经Ｒ４０、ＲＶ２、ＲＶ１、Ｒ４１进行分压采样，经Ｒ５阻抗匹配后送到ＴＬ４９４脚１。ＲＶ１装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。Ｒ１０３和Ｃ１４将输出电感Ｌ１前信号采样，经Ｒ５送到ＴＬ４９４脚１，用于提高电源稳定度，消除Ｌ１对环路稳定性影响。

　　４．８过流保护电路

　　为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。初级采用电流互感器ＣＴ１检测初级变压器电流，检测出的电流信号经Ｒ６０转为电压信号后，再经Ｄ２～Ｄ４，Ｃ９整流滤波后，经过电位器ＲＶ３分压，反相器Ｎ３反相后加在Ｑ１管基极。当初级电流超过正常时，反相器反转，Ｑ１管导通，将ＶＲＥＦ＝５Ｖ的高电平加在ＴＬ４９４脚４上（脚４为ＴＬ４９４死区控制脚、高电平关断），ＴＬ４９４关断。

　　输出直流总线上过流保护，采用Ｒ４５～Ｒ５６电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚１５电平变低，当输出电流大于４０Ａ的１０５％时，ＴＬ４９４的内部运放动作，脚３电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态。

　　５结语

　　本文介绍的开关电源已成功地作为实验室电源、通信基站电源使用。其效率≥８５％，纹波优于３０ｍＶＰＰ，产品可靠性高、成本低，具有一定的市场竞争力。

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