吳學(xué)興，郝佳琦，李瑞澤，代金嶧

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)開關(guān)電源下游需求增長(zhǎng)的拉動(dòng)、開關(guān)電源制造成本的降低以及多方面政策的支持等，這些因素都利于開關(guān)電源行業(yè)的發(fā)展，前景可期[1]。與此同時(shí)，開關(guān)電源行業(yè)也將在新的時(shí)期呈現(xiàn)出新的趨勢(shì)。隨著電源產(chǎn)品逐漸向小型化、薄型化、輕量化、高頻化方向發(fā)展，可以預(yù)計(jì)未來具有輕、薄、小以及高頻開關(guān)電源產(chǎn)值增長(zhǎng)將高于整個(gè)電源行業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)[2-4]。在這種巨大的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境之下，越是能夠?qū)崿F(xiàn)低成本，集成度高，可靠性強(qiáng)就越能驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)[5]。本文介紹的開關(guān)電源選用合理的開關(guān)管，降低了在開關(guān)過程中的損耗，從而提高了效率。選用合理的電感既能保證良好的濾波效果，又能承受巨大的電流。輸出端采用閉環(huán)控制的方式保證12 V的輸出電壓，該電路還具有過流保護(hù)的特點(diǎn)[6]。同時(shí)又能，滿足對(duì)功率的需求。

1 開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需要

57步進(jìn)電機(jī)采用TB6560芯片驅(qū)動(dòng)，每個(gè)芯片需要3A的電流。42步進(jìn)電機(jī)采用A4988芯片驅(qū)動(dòng)，每個(gè)芯片需要2A的電流。加熱頭在變溫期間電機(jī)不工作，恒溫期間需要1A維持加熱，熱床在工作的時(shí)候需要4A左右的電流，因此系統(tǒng)需要按照市電220V輸入，同時(shí)能夠穩(wěn)定的提供超過24V，16A的輸出。若需要長(zhǎng)時(shí)間按照此功率工作，則需要電源能達(dá)到20A以上。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

雙端正激也稱為非對(duì)稱橋，由兩個(gè)功率管和與兩個(gè)二極管組成電橋，但只有功率管可控導(dǎo)通，變壓器單向磁化，沒有橋式電路的橋臂直通問題，因此抗干擾能力更強(qiáng)。相對(duì)于反激式來說可以承受更大的功率，且輸出變壓器輸出的電能利用率高。本系統(tǒng)采用正激式開光電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用UC3842控制型脈寬調(diào)制器芯片[7]，具有更穩(wěn)定的電流輸出，更好的瞬態(tài)特性，因而可以更好地給步進(jìn)電機(jī)，加熱芯，熱床等提供足夠的功率，保證其能穩(wěn)定工作。

1.3 設(shè)計(jì)流程

正激式開關(guān)電源需要將220V的市電轉(zhuǎn)化為直流，而開關(guān)之后具有較大的紋波，還需要濾波才能使用，同時(shí)需要在輸出端加入限流保護(hù)，防雷擊保護(hù)等，一個(gè)完整的電源設(shè)計(jì)流程如圖1所示，接下來進(jìn)行模塊化分析。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig. 1 System flow chart

2 開關(guān)電源的模塊化設(shè)計(jì)

2.1 輸入整流濾波部分

市電經(jīng)過高壓線傳輸，大功率變換器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室設(shè)備輸入端時(shí)常常伴有較大的干擾。其表現(xiàn)為過壓欠，尖峰等[8]，會(huì)對(duì)設(shè)備當(dāng)中具有參考和反饋端的元件造成巨大的影響，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生微電流沖擊影響設(shè)備輸出負(fù)載的使用。為了防止在設(shè)備正常工作時(shí)，頻率信號(hào)進(jìn)入設(shè)備，影響設(shè)備工作，從而濾波電路應(yīng)對(duì)高頻的干擾信號(hào)有較大的阻礙作用，故采用雙極串聯(lián)式低通濾波電路[9]，如圖2所示。

圖2 輸入端二級(jí)濾波電路Fig. 2 Input stage two stage filter circuit

C1，C3用來濾除串模干擾，采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01～0.47μF。C4，C5用來濾除共模干擾，選用陶瓷電容，容量范圍是2200pF～0.1μF。輸入端前串聯(lián)一個(gè)壓敏電阻R1與一個(gè)大電阻R2并聯(lián)，用來保護(hù)電路，防止其被異常電網(wǎng)高壓以及雷擊等擊穿。T3是一個(gè)扼流圈，用來抑制高速信號(hào)產(chǎn)生的電磁波向外輻射同時(shí)可以過濾前路的共模干擾。L1，L2是差模電感，由于系統(tǒng)要求電流較大，選取80uH以下才可以承受。整流橋?qū)?20V交流轉(zhuǎn)換為300V直流，C6與L3構(gòu)成LC濾波電路，輸出端仍然可觀察到鋸齒波形，負(fù)載越大鋸齒越平滑，其中負(fù)載為10和100歐姆的波形仿真圖如圖3所示。

圖3 輸入端二級(jí)濾波輸出波形Fig. 3 Input stage two stage filter output waveform

當(dāng)負(fù)載無窮大時(shí)輸出近似為110V。C6將外界地線與系統(tǒng)地隔離，既能避免設(shè)備內(nèi)部電路免受外界電磁干擾同時(shí)也能防止電源干擾其他設(shè)備。

2.2 正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路

2.2.1 變壓器設(shè)計(jì)

一個(gè)輸入，一個(gè)續(xù)流二極管作為反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)電路。采用兩組同極輸出，其中輸出端一連接輸出負(fù)載，輸出端二用作為控制型脈寬調(diào)制器芯片供電。

2.2.2 控制設(shè)計(jì)

控制型脈寬調(diào)制器芯片采用UC3842，UC3842是美國(guó) Unitrode 公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，該芯片主要由5. 0V基準(zhǔn)電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測(cè)定比較器、PWM鎖存器、高增益誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成，可以工作在8～40V。市電通過變壓器經(jīng)整流濾波后可以得到35V左右的電壓。芯片內(nèi)部自帶5V基準(zhǔn)電壓，通過RC電路控制震蕩頻率。其電路如圖4所示。

2.2.3 輸出電流反饋設(shè)計(jì)

圖4 UC3842控制電路Fig. 4 UC3842 control circuit

下圖是用電流互感器取樣電路作為保護(hù)電路，其優(yōu)點(diǎn)為功耗小，但成本高且電路較為復(fù)雜[10]，其工作原理簡(jiǎn)述如下：

輸出電路電流越大，TR1次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓就越高，當(dāng)UC3842③腳超過1伏是，UC3842停止工作，使得Q1關(guān)斷，電路的電流下降，當(dāng)短路或過載消失時(shí)，TR1次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓下降，UC3842恢復(fù)工作，電路恢復(fù)，周而復(fù)始。

圖5 反饋電路Fig. 5 Feedback circuit

2.2.4 輸出端限流保護(hù)

如圖6的左圖所示，當(dāng)Uo有過壓現(xiàn)象時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，經(jīng)光電耦合器（OT2）和限流電阻R6到地產(chǎn)生電流，使得光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1基極得到電壓，Q1導(dǎo)通， U3842的①腳電壓降低，使U3842停止工作，從而停止整個(gè)電源的工作，繼而Uo為零，穩(wěn)壓二極管恢復(fù)，光電耦合器的發(fā)光二極管電流消失，使光電耦合器的光敏三極管關(guān)斷，Q1基極電壓消失，Q1關(guān)斷，U3842的①腳電壓恢復(fù)，電路恢復(fù)正常工作，周而復(fù)始。右圖為其簡(jiǎn)化版，原理相同。

2.2.5 輸出濾波器的設(shè)計(jì)

圖6 過流保護(hù)電路Fig. 6 Overcurrent protection circuit

在開關(guān)電源中，由于變壓器的漏感、電路板所布導(dǎo)線的引線電感等問題的存在，開關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復(fù)二極管由于存在存儲(chǔ)效應(yīng)，反向恢復(fù)過程中也會(huì)出現(xiàn)很高的反向恢復(fù)的碾壓尖峰脈沖。為避免過電壓尖峰脈沖危及功率器件的工作安全或者形成很強(qiáng)的電磁干擾噪聲[11]。故輸出濾波電路設(shè)計(jì)如圖7所示：

圖7 輸出濾波電路Fig. 7 Output filter circuit

由電阻R1和電容C2串聯(lián)構(gòu)成緩沖電路，電壓脈沖能量經(jīng)電阻消耗后轉(zhuǎn)移到電容器中儲(chǔ)存，然后電容器的儲(chǔ)能通過電阻消耗后返回電源，而且輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制，因此反向浪涌電流就會(huì)隨之而減少，同時(shí)減少損耗和可能出現(xiàn)的振蕩。

由于開關(guān)電源改變PWM占空比只能改變電壓有效值不能改變電壓的幅值，因此需要在緩沖電路后加上圖中右側(cè)部分，D7為續(xù)流二極管，L1為續(xù)流電感。C4，L2，C5構(gòu)成Π型濾波器，當(dāng)負(fù)載足夠大時(shí)輸出波形平滑，輸出幅值為輸入的平均值。

3 電路仿真驗(yàn)證

除了用Multisim進(jìn)行仿真之外，我們還需要Saber進(jìn)行仿真，在本例中，主要是高頻功率變壓器需要進(jìn)行設(shè)置，如圖8所示。

器件參數(shù)設(shè)置完成之后，開始準(zhǔn)備對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，其仿真設(shè)置如圖9所示。

設(shè)置參數(shù)后仿真的輸出波形如圖10所示。

圖8 高頻變壓器參數(shù)設(shè)置Fig. 8 Parameter setting of high frequency transformer

圖9 基本設(shè)置和輸入設(shè)置Fig. 9 Basic settings and input settings

圖10 輸出端仿真波形Fig.10 Output simulation waveform

圖中為輸入直流電壓為311V 時(shí)的輸出電壓波形，紫色曲線波形為主電壓輸出波形，綠色曲線波形為輔助電源輸出波形。從圖中可以看出，主電壓輸出穩(wěn)定在23.935V左右與設(shè)定值（24V）相差-0.27%；電壓波動(dòng)的最高值在27.245V左右；輸出電壓從開始到穩(wěn)定需要至少4.2ns。輔助電源電壓穩(wěn)定在23.591V左右與設(shè)定值（24V）相差-1.7%。

4 結(jié)論

本文對(duì)比分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款高效的大電流開關(guān)電源電路。其中包括防雷擊，軟開關(guān)控制器，過流保護(hù)等模塊。這些模塊的設(shè)計(jì)均通過了仿真工具的驗(yàn)證，性能達(dá)到預(yù)定的要求。為了輸出穩(wěn)定的電流，設(shè)計(jì)了反饋電路，當(dāng)外部負(fù)載減小的時(shí)候，反饋的電流會(huì)增大。軟開關(guān)控制芯片通過改變UC3842⑥腳輸出占空比，減小功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，輸出更少的能量，降低輸出電流，同時(shí)有效降低了功耗。由UC3842作為核心組成的控制器電路可以廣泛應(yīng)用于各種穩(wěn)定電源電路中，可以簡(jiǎn)化適配器和輔助電源的設(shè)計(jì)過程。

關(guān)于高頻變壓器和濾波儲(chǔ)能電感的設(shè)計(jì)：開關(guān)電源最重要的無源器件就是磁性元件，它的性能直接影響著開關(guān)電源整體的性能。目前，磁性元件主要通過定制的方式得到。由于在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件下，無法對(duì)購(gòu)買的磁性元件進(jìn)行精確地測(cè)試，因此在電路設(shè)計(jì)中磁性元件的很多參數(shù)只能被忽略。所以實(shí)際效果也等待有人驗(yàn)證。在可見的未來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的效率將會(huì)越來越高，功率將會(huì)越來越大，向著小型高效大功率的方向發(fā)展。