開關式交流穩壓電源的設計

空間技術、計算機、通信、雷達及家電中的電源逐漸被開關電源所取代。現在一般應用的串聯調整穩壓電源是連續控制的線性穩壓電源。這種傳統的串聯穩壓器、調整管總是工作在放大區,流過的電流是連續的,這種穩壓器的缺點是承受過載和短路的能力差,效率低,一般只有35%~60%。由于調整管要損耗較大的功率,所以需要采用大功率調整管,并裝有體積很大的散熱器。而開關電源的調整管工作在開關狀態,功率損耗小,效率可達70%~95%,穩壓器的體積小,重量輕,調整管的功率損耗較小,散熱器也隨之減小。此外,開關頻率工作在幾十kHz,可用數值較小的濾波電感、電容元件,故可以大大提高允許的環境溫度。
  l 電路組成及工作原理
  開關式交流穩壓電源電路框圖如圖1所示。工作原理描述:由三角波發生電路產生150 kHz的三角波,由低頻正弦波產生電路產生50 Hz的正弦波。兩個信號分別同時送到比較器的同相和反相輸入端,在比較器的輸出端將產生矩形波。該矩形波的頻率與150 kHz的三角波相同,該矩形波的脈沖寬度受50 Hz正弦波實時幅度的調制后,隨50 Hz正弦波實時幅度而變化,即已調制矩形波。將其送到高速電子開關中一個輸入端,并經過一級反向器反向,送到高速電子開關的另外一個輸入端。
  市電整流濾波獲得的倍于輸入交流電壓(典型值約為311 V)的直流高電壓送到高速電子開關的電源輸入端。高速電子開關的兩個輸出端由兩個反向的輸入矩形波驅動,從約311 V直流電源取得能量后,分別經過一級短時間常數的LC濾波電路連接到高頻開關變壓器的初級。該LC濾波電路的作用是使進入高頻開關變壓器初級的矩形波脈沖拐角趨于圓滑,以降低其高頻諧波。高頻開關變壓器的初、次級還起到對市電隔離的作用,高頻開關變壓器的次級獲得交變、拐角圓滑的矩形波電壓,經過多級長時間常數的LC濾波電路,將150 kHz高頻信號濾除,還原出50 Hz正弦波的調制信號。送到負載用于對負載供電。
  電壓和電流取樣電路從負載上獲取電壓和電流信號,分別送兩路A/D轉換器轉換,變成離散的數字信號。一方面用于通過微處理器處理后進行實時顯示;另一方面用于通過微處理器處理后送D/A轉換器變換為模擬量,經過led/' target='_blank'>光電隔離驅動電路來控制正弦波發生器的幅值,又經過比較器、反向器、高速電子開關、LC濾波、高頻開關變壓器、多級LC濾波等電路,用于控制負載上電壓或電流的穩定。電壓互感器的作用是從市電中獲得低諧波失真的標準正弦波,經由正弦波產生電路控制其幅值;鍵盤用于輸入準備向負載提供的電壓或電流值。
  2 電路設計分析
  2.1 可控正弦波產生電路
  可控正弦波產生電路的電路圖如圖2所示。
  正弦波的來源采用直接從市電的220 V/50 Hz的正弦波,利用電壓互感器變換成較低電壓的50Hz正弦波(例如5 V)。該正弦波的諧波失真度取決于市電的諧波失真度和互感器的參數,其輸出幅度由D/A轉換器控制光電耦合器驅動電路實現,D/A轉換器輸出信號控制光電耦合器導通程度,與分壓電阻分壓后產生交流和直流疊加的電壓,經電容隔離直流分量,僅保留交流分量送運算放大器進行若干倍的放大,產生隨D/A信號幅度大小而控制的純凈交流信號量。
  D/A控制信號產生的原則是:根據輸出到負載上的電壓或電流配合市電的電壓幅度大小進行綜合運算,由微處理器向D/A轉換器提供通過綜合運算的數字量,使得提供給負載的輸出電壓(或電流)趨于穩定。
  2.2 脈沖寬度調制器
  PWM產生電路由正弦波產生電路、三角波產生電路和比較器三個部分組成。三角波加到比較器的反向輸入端,正弦波加到比較器的同向輸入端,比較器輸出端產生受正弦波瞬時幅度而變化的脈沖寬度調制波。
  圖3是電壓型PWM比較器的工作波形,輸入三角波接在比較器的反向輸入端,可控正弦波信號送至比較器的同相輸入端,經放大后輸出PWM信號。
  2.3 高速電子開關
  高速電子開關電路用于實現將PWM波功率放大,配合高頻電子變壓器和濾波電路,可實現對輸入信號為受某信號參數調制的矩形波,輸出信號為還原出該參數的解調電路。其典型電路圖如圖4所示,是PWM經反相器出來的波形。整個電路由4個場效應管構成的橋式開關電路、高頻開關變壓器、多組LC濾波電路(圖中只畫出一組L3,C3)組成。
  高頻開關變壓器Tr還兼起市電隔離的作用。電路中,L1,C1和L2,C2組成濾波電路,用以使輸入到高頻開關變壓器初級的矩形波拐角變成“緩變”形狀,以使流經變壓器的諧波分量減小,降低干擾。
  經過高頻開關變壓器次級感應到的電壓通過L3,C3(實際為多級LC,如三級)的進一步濾波可以將PWM的高頻矩形波濾除,在負載上得到被還原的原調制波的正弦波形。如圖5所示。
  圖5中還原出來的調制波實際上是有一定程度的鋸齒波成分,如果用數字存儲示波器存儲波形,然后局部放大觀測可發現,如圖5中顯示了局部放大后的鋸齒形狀,其鋸齒程度反映了信號的失真度,與多級LC濾波器的性能參數有關。
  2.4 微處理器
  微處理器部分用于實現系統裝置的智能化,微處理器部分包括微處理器芯片、鍵盤、LCD顯示器、A/D和D/A轉換器,且適合于控制的微處理器芯片往往采用單片機,而單片機基本上都包含有I/O接口電路、ROM,RAM、定時器和中斷系統,因此這些部件基本上都不需要擴展。
  軟件部分的設計包括A/D轉換器、D/A轉換器、LCD顯示器、鍵盤系統等功能的子程序,還包含系統監控程序和各種中斷服務程序等,其系統監控程序流程圖如圖6所示。
  3 結語
  在此介紹的開關式交流穩壓電源是一種較為先進的交流電源設計方案。隨著時代的快速發展,開關電源的集成化與小型化正在變為現實,目前正在研制開發開關與控制電路集成于同一芯片的集成???。然而,把功率開關與控制電路,包括反饋電路都集成于同一芯片上,必須解決電氣隔離與熱絕緣的問題,這將是今后的一大研究課題。
  

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