一种带有UPS功能的多路输出电源的实现

 

　　对现代电子系统，即便是简单的由单片机和单一I/O接口电路所组成的电子系统来讲，其电源电压一般也要由+5V,±15V或±12V等多路组成，而对较复杂的电子系统来讲，实际用到的电源电压就更多了。目前主要由下述诸多电压组合而成：+3.3V,+5V,±15V,±12V,-5V,±9V,+18V,+24V、+27V、±60V、+135V、+300V、-200V、+600V、+1800V、+3000V、+5000V（包括一个系统中需求多个上述相同电压供电电源）等。不同的电子系统，不仅对上述各种电压组合有严格的要求，而且对这些电源电压的诸多电特性也有较严格的要求，如电压，电压的负载能力（输出电流），电压的纹波和噪声，起动延迟，上升时间，恢复时间，电压过冲，断电延迟时间，跨步负载响应，跨步线性响应，交叉调整率，交叉干扰等。

　　1 方案选择

　　常用方案为交流输入侧加一个输出AC 220 V的UPS，后面为AC/DC多路输出开关电源。但这种方案线路较复杂，成本较高。考虑到该电源的具体要求，我们确定了以下方案：电源分两级，级为AC/DC，将AC 220V变换为DC 24V，一方面为24V负载供电，同时给24V蓄电池充电(因为该电源中蓄电池为备用电源，为浮充使用状态，故充电电压取2.275V/cell，24 V蓄电池的浮充电压即为2 275x12=27.3 V。因而实际输出电压设计为27.3V，以对蓄电池浮充电，24V负载允许±15％电压波动)。第二级为DC/DC，将24 V变换为5 V及±12V多路输出。这样，既满足了使用要求，电路又较简单，成本较低。该电源原理框图如图1所示。

　　2 工作原理及设计要点

　　2.1 级AC/DC

　　AC/DC即为将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为"整流",功率流由负载返回电源的称为"有源逆变".AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

　　考虑到输入为AC 220V,为降低开关器件电压定额，主电路拓扑采取半桥方式，fk50 kHz,PWM控制芯片采用TL494.众所周知，TL494是TI公司生产的使用非常广泛的电压型PWM控制芯片，包含两个误差放大器，一个振荡器，一个死区时间控制比较器（DTC），一个脉冲调整控制触发器，一个5 V5%的基准电源及输出控制电路。该芯片可通过输出控制端（脚13）接地或接基准电压Vref选择输出为单端并联方式或推挽工作方式。在本电源中，TL494 工作于推挽工作方式。一个误差放大器用作输出电压反馈控制，一个误差放大器用来进行侧过流保护，DTC用来进行输出电压过压保护，因为在DTC上电压为0~3.3 V时，死区时间占空比在3%~100%间线性变化。TL494对接线路如图2所示。

　　为了保证蓄电池不会放亏，延长电池使用寿命，设有欠压保护电路，如图3所示。

　　由图3可见，不论何种原因，当电压低于蓄电池终止电压（理论值21 V,实际设计值为2I.5 V）时，继电器触点断开，切除蓄电池负载，并保持该状态至下次交流恢复供电，为防止在动作值临界点附近比较器输出产生振荡，加有正反馈环节，使比较器输入信号产生回差滞环。

　　2.2 第二级DC/DC

　　由于DC/DC部分输出功率不大，约80 W,且为多路输出，故采用单端反激线路是合适的。工作频率fk取100 kHz,PWM控制芯片采用UC3845A,该芯片是一种常用的低成本电流型PWM控制芯片，除包含一个误差放大器、一个内部振荡器、一个5 V基准电源、一个欠压保护比较器及大电流图腾柱输出级外，该芯片还包含一个电流传感比较器，因而具有逐脉限流的特点。利用该特点实现了初级电流逐脉限流保护，并据此设计了简单、实用的输出侧5V、12 V过压保护电路，当出现过压时，对应稳压管击穿，晶闸管引起逐脉限流保护。

　　因为DC/DC的5 V、12V输出负载在启动时变化较大，且时序不同，单用5V一路反馈信号，虽可使5 V在启动及正常工作时保持稳定，但12V的电压其稳定性在启动时受5 V负载变化的影啊较大，亦即动态交叉负载调整率较大，不满足设备使用要求。为提高12V的输出电压的稳定性，引入了 12 V输出的反馈信号，如图4所示。

　　在12V输出与 UC3845A的脚2反馈端VFB加反馈电阻（实际应用中，为方便满足设计电阻位，设汁为两个串联或并联的电阻），因原副边共地，故直接分压反馈，不用光耦隔离，简单、准确、响应快，取反馈比例系数K=0.5,因5 V单一反馈时流入VFB脚的反馈电流IFB=（5-2.50）/（5.1xlO3）=490（μA），故12V反馈电流为K4x90=0.5x490=245（μA），则12V输出与VFB间电阻值为（12-2.50）/245×10-6=38.8Ω，取电阻标称值39kΩ。而5V输出与VFB间的反馈电阻值为（5-2.5）/245x10-6=10.2（kΩ），取电阻标称值10kΩ。根据实际情况，可调整12V输出的反馈深度，即调整反馈比例系数K,也可引入更多路的反馈信号，各路反馈信号的反馈比例系数可调整，但其总和应为1,此即为所谓多路比例反馈。引入12V反馈信号后，12V稳压提高，5V稳压略有降低，满足了设备动、静态要求。

　　因电源所带负载包括CPU及大规模集成电路，对电压冲击较敏感，故在5V及12V反馈电阻上并联有电容引入微分反馈信号，以抑制开机时各输出电压的上冲幅值。

　　3 高频变压器设计

　　高频变压器是作为开关电源主要的组成部分。开关电源中的拓扑结构有很多。比如半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生100kHz的高频脉冲波，然后通过高频变压器进行变压，输出交流电，高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电压的多少。典型的半桥式变压电路中为显眼的是三只高频变压器：主变压器、驱动变压器和辅助变压器（待机变压器），每种变压器在国家规定中都有各自的衡量标准，比如主变压器，只要是200W以上的电源，其磁芯直径（高度）就不得小于35mm.而辅助变压器，在电源功率不超过300W时其磁芯直径达到16mm就够了。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

　　AC/DC高频变压器采用El-40立式磁芯，材质为铁氧体PC40,采用"初包次"的绕法，即靠近磁芯里层先绕一半匝数初级绕组，再绕次级绕组及辅助电源绕组，末了外层再绕剩下的一半匝数初级绕组，亦即所谓"三明治"绕法，使初、次（原、副边）级耦合较好，漏感小。

　　DC/DC高频变压器采用EER28立式磁芯，材质为铁氧体PC40,气隙取1.06 mm,采用"三明治"绕法，同时因为副边为多路输出，故副边绕组采用堆叠法绕制，以加强耦合，减少漏感，降低成本。对于输出电流较大的绕组，采用多股并绕方式绕制，以减小集肤效应，增强耦合。

　　4 结语

　　该电源实测表明，满载时各输出电压纹波峰峰值Vp-p（频带宽20MHz）如表1所列。

　　AC/DC效率η=88%,二级DC/DC效率η=75%,各保护环节工作可靠，满足设备启动及正常工作的要求。该电源已批量生产近一年，实际运行可靠稳定，性能良好。