開(kāi)關(guān)電源(602)變頻器(379)UPS電源(33)
引 言
開(kāi)關(guān)電源是一種利用開(kāi)關(guān)功率器件并通過(guò)功率變換技術(shù)而制成的直流穩壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應性強的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源又被稱(chēng)為高效節能電源,內部電路工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),自身消耗的能量很低,一般電源效率可達80 %以上,比普通線(xiàn)性穩壓電源提高一倍。
開(kāi)關(guān)電源的主電路拓撲有很多種,從DC/DC 變換輸入與輸出間有無(wú)變壓器隔離,開(kāi)關(guān)電源分為有變壓器隔離和無(wú)變壓器隔離,每類(lèi)又有幾種拓撲,即Buck(降壓型)、Boost (升壓型)、Buck-Boost (升壓-降壓型)、Cuk(串聯(lián)式)及Sepic (并聯(lián)式)等;按激勵方式分,有自激式和它激式;按控制種類(lèi)包括PWF(調頻式)、PWM(調寬式)、PAM(調幅式)和RSM(諧振式)4 種;按能量傳遞方式有連續模式和不連續模式。用的最多的是調寬式變換器。調寬式變換器有以下幾種:正激式(Forward )、反激式(Feedback )、半橋式(Half Bridge Mode )、全橋式(Full Bridge Mode )及推挽式(Push Draw Mode )等。若按開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件可分為硬開(kāi)關(guān)(Hardswitching)和軟開(kāi)關(guān)(Softswitching)兩種。根據對開(kāi)關(guān)電源的各種拓撲和控制方式的技術(shù)要求,工程實(shí)際的實(shí)現難易,電器性能及成本等指標的總結,本文選用有變壓器隔離的自激型反激式拓撲來(lái)實(shí)現這款多路輸出高精度的開(kāi)關(guān)電源。
1 開(kāi)關(guān)電源的原理
多路輸出高精度的開(kāi)關(guān)電源原理如圖1 所示。
圖1 開(kāi)關(guān)電源原理圖
一般開(kāi)關(guān)電源由圖1 中所示四部分組成。輸入電路主要由防雷、濾波、浪涌電流抑制、整流電路等構成。
作用是把輸入電網(wǎng)交流電源轉化為符合電源輸入要求的直流電源。變換電路含開(kāi)關(guān)電路、變壓器及RCD 吸收電路等,是開(kāi)關(guān)電源能量變換的主通道??刂齐娐泛与娐?,本論文采用大阻值電阻分壓取樣,含基準電源,此處用TL431 產(chǎn)生2 。5V 基準電源。此外還有誤差放大及脈沖驅動(dòng)電路,取樣的誤差信號經(jīng)光耦線(xiàn)性放大誤差信號同時(shí)反饋產(chǎn)生驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管的矩形脈沖,達到調節輸出電壓的目的。輸出電路包含整流、濾波,把輸出電壓整流成脈動(dòng)直流,并平滑成低紋波直流電壓。本論文實(shí)現的電源,具有設計簡(jiǎn)單,體積小,效率高,紋波小及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
2 開(kāi)關(guān)電源的設計與實(shí)現
多路輸出高精度的開(kāi)關(guān)電源的主要設計要求如下:
輸入電壓:AC132 V~264 V
輸入頻率:50/60 Hz
輸出四路電壓:U1 24 V/0.5 A、U2-9 V/0.8 A、
U3 9 V/0.8 A、U4 5 V/3 A
輸出功率:40 W
紋波電壓:≤100 mV
負載調整率:≤3 %.
2 .1 設計原理
圖2 是自激式多路輸出穩壓開(kāi)關(guān)電源的原理圖。
圖中X1_C1 、X1_C2 、Y_C1 、Y_C1及L 組成EMI 電路,用來(lái)濾除電網(wǎng)中的共模差模信號,同時(shí)避免開(kāi)關(guān)電源對電網(wǎng)造成污染。L 為共模扼流圈,共模扼流圈是開(kāi)關(guān)電源、變頻器、UPS 電源等設備中的一個(gè)重要部分。當工作電流流過(guò)兩個(gè)繞向相反的線(xiàn)圈時(shí),產(chǎn)生兩個(gè)相互抵消的磁場(chǎng),如果有共模干擾信號流過(guò)線(xiàn)圈時(shí),線(xiàn)圈對共模信號即呈現出高阻抗,產(chǎn)生很強的阻尼效果,達到衰減干擾信號作用。X1_C1 、X1_C2 、Y_C1及Y_C2為安規電容,其中X1_C1與X1_C2為X 安規電容,Y_C1和Y_C2為Y 安規電容,它們用在電源濾波器里,與L 起到電源濾波作用,分別對共模,差模工擾起濾波作用。安規電容的特性是電容器失效后,不會(huì )導致電擊穿,不危及人身安全。RV為壓敏電阻,具有防雷作用,也可用TVS(瞬態(tài)電壓抑制器),由于壓敏電阻具有良好的非線(xiàn)性特性、通電流大、殘壓水平低、動(dòng)作快和無(wú)續流等特點(diǎn),被廣泛用于電子設備防雷。
開(kāi)關(guān)電源系統壓敏電阻相當于D 級防雷器,對于220V線(xiàn)路,壓敏電阻的選取為,220×1 .4×1 .4=430 V,所以壓敏電阻選型為470 V。RT 為熱敏電阻,開(kāi)機時(shí),220 V交流電經(jīng)過(guò)整流后對大電容充電,而電容的特性是瞬間充電電流為最大,從而對前邊的橋和保險絲帶來(lái)沖擊,容易造成器件上電時(shí)損壞,為了提高電源設計的安全系數,常在保險之后加入電阻進(jìn)行限流,電阻越大時(shí),雖然限流效果好,但是電阻消耗的電能也是很大的,開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)后,限流電阻已沒(méi)有作用,反而浪費電力。為了達到較好限流效果而又省電,現在的開(kāi)關(guān)電源經(jīng)常采用負溫度熱敏電阻作限流使用,吸收浪涌電流。負溫度熱敏電阻的特性是,溫度越高,電阻越小。為了減小電源體積及復雜度,此處避免了使用繼電器等組成的防浪涌電路,經(jīng)過(guò)試驗,達到了非常好的效果。變壓器T,RCD(R2 ,C1 ,D1 )吸收電路及開(kāi)關(guān)管構成了此電源的能量轉換電路,本電路采用單端反激,是一種比較成熟的電源變換電路,變壓器既作為隔離器件,又作為儲能器件。此變壓器采用EI 骨架,初級線(xiàn)圈電感量在1 .2 ~1 .3 mH 之間,在繞制變壓器時(shí),自激繞組要靠外圈,初級繞組分兩組疊加,一組在內,一組在外,可防止磁通飽和影響電源效率。此變壓器屬于常規變壓器,不再多述,開(kāi)關(guān)管的選取要注意漏源級的耐壓,最大工作電流,導通電阻,耗散功率及一些開(kāi)關(guān)時(shí)間等。RCD 吸收電路的功能是吸收因變壓器初級繞組在工作時(shí)產(chǎn)生的自感電勢,避免在開(kāi)關(guān)管集電極截止瞬間出現過(guò)高的反峰高電壓損壞開(kāi)關(guān)管而設的。開(kāi)關(guān)管工作時(shí)一直處于導通與截止,循環(huán)工作,所以吸收回路一直是有電流通過(guò)的,這個(gè)電流的大小隨開(kāi)關(guān)電源的功率大小而不同,使得吸收回路的元器件取值也不一樣,RCD 吸收電路中的R 值如過(guò)小,就會(huì )降低開(kāi)關(guān)電源的效率。然而,如R 值過(guò)大,MOS 管就存在著(zhù)被擊穿的危險。本電路選用10 kΩ/2 W,電容選用0.01 μF/1 kV,D1選用耐壓1 kV的HER107 。輸出電路主要包含整流濾波,三端穩壓器及假電阻等。選用合適的濾波電容及假電阻可減小電源輸出紋波和提高電源效率。
圖2 自激式多路輸出穩壓開(kāi)關(guān)電源原理圖
圖2 中光耦器件PC817 ,TL431 及框中自激電路組成了本電源的控制電路。R16 、R17是取樣電阻,TL431 為可調試精密并聯(lián)穩壓器,通過(guò)改變電阻R16和R17的分壓值,可小范圍改變輸出電壓值。R15和C20為T(mén)L431 的頻率補償電路,可以提高TL43l 的瞬態(tài)頻率響應。關(guān)于反饋回路的設計,實(shí)際上就是確定R13 、R14的阻值及選定合適的光耦合器件,首先要選定線(xiàn)性度好的光耦合器件,因為這樣可以把輸出線(xiàn)性的反應到自激電路,可以由自激電路產(chǎn)生線(xiàn)性變化的脈沖,從而線(xiàn)性的反比例控制開(kāi)關(guān)管的截止與導通。而目前國內常用的4N25 系列光耦屬于非線(xiàn)性光耦合器,不宜采用。其次要注意光耦合器件的CTR(電流傳輸比)值。使用光電耦合器主要是為了提供隔離,同時(shí)又能將輸出的變化線(xiàn)性的反應在自激控制電路中,容易線(xiàn)性的控制開(kāi)關(guān)管的占空比。光耦合器的CTR 的允許范圍是50 %~200 %,這是因為當CTR<50 %時(shí),光耦中的輸入級就需要較大的工作電流,這會(huì )增大光耦的功耗。若CTR>200 %,在啟動(dòng)電路或者當負載發(fā)生突變時(shí),有可能影響正常輸出。PC817 的CTR 線(xiàn)性范圍為80 %~160 %,能夠較好地滿(mǎn)足反饋回路的設計要求。確定好光耦后,就要確定R13 、R14 ,需要注意的是,在選擇電阻時(shí)必須保證TL431 工作的必要條件,就是通過(guò)陰極的電流要大于1 mA 。R13為PC817的外部限流電阻。實(shí)際上除了限流保護作用外,它對控制回路的增益也具有重要影響。當R13改變時(shí),會(huì )影響到光耦的輸入電流,然后影響光耦的輸出電流,進(jìn)而影響開(kāi)關(guān)管的占空比,也就相當于改變了控制回路的電流放大倍數。此電路中R13取100 Ω,在光耦輸入端和R13上并聯(lián)R14是為了在光耦輸入電流接近于0時(shí),為了保證TL431 陰極不低于1 mA的工作電流而設置的。