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          讓穩壓電源更“穩”的獨門絕技

          發布時間:2014-10-25 責任編輯:echolady

          【導讀】開關電源具有三大模塊,隔離變壓器、整流濾波、DC-DC變換網絡。DC-DC變換器無論在哪個電路設計中都是關鍵所在,DC-DC變換器包含脈沖變壓器、儲能器件、濾波電路、輸出整流器、開關器件等功率器件及控制模塊。DC-DC的核心設計是控制模塊。而控制模塊大多使用PWM調制芯片。

          芯片內部集成了振蕩器(由外接電阻電容來決定頻率),誤差比較器,PWM調制器等,有的甚至有保護電路和驅動電路。在此情況下用集成芯片外加少量的電路即可構成開關電源,穩定性能較好,控制簡單,芯片功耗幾乎可以忽略不計,且成本低。過流保護可以使用電流取樣電阻串接在負載上。當取樣的電流超過指定的范圍,立即切斷負載,或者降低輸出電壓,然后過一段時間再自動啟動,接上負載,由繼電器來控制負載的連通性。同時用A/D采樣,經過單片機處理后顯示當前輸出電流和電壓。還擴展了鍵盤來實現電壓步進和預置,設置蜂鳴器實現過流時報警。

          開關穩壓電源電路的設計

          開關穩壓電源系統框圖如圖1所示。
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          整流濾波電路的設計

          整流濾波電路如圖2,在開機瞬間,濾波電容等效為短路,可串接0.1Ω限流電阻保護整流橋。此設計最大輸出功率72瓦特,電網電壓低到15V輸入時(整流后可達到18V),加上最不利效率為70%,則輸入端功率經計算為102W,整流濾波后輸出的電流約5.6A,取6A電流。用普通整流二極管不能滿足要求,故用承受電流較大的硅橋。為達到可以接受的紋波系數,濾波電容的容值需要較大??紤]到其它無用功耗,取P=102W,經計算C≈30000uF,這時候紋波系數低至2.5%,但電容體積太大,DC—DC變換級對紋波系數的要求可以降低,取10000uF,紋波約8%,可以滿足要求。大電容濾波還需并接瓷片電容,來抑制尖峰電壓。

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          Boost升壓型電路的設計

          主回路拓撲結構選擇非隔離型中Boost型升壓斬波電路,如圖3。假設C和L足夠大,輸入輸出電壓,即為常數。據推理電感兩端的電壓值也為常數,記電感兩端的電壓值是VL,經過L的電流記為IL,電流變化正增量記為△i+,電流變化的負增量記為△i-。當開關閉合時,續流二極管關斷,此時電源向電感充電儲存能量,忽略開關管的壓降。則由電感電流不可以突變、法拉第電磁感應公式和基爾霍夫電壓定律推導出:增量電流△i+和時間△t成正比,呈線性上升趨勢,與電感成反比。當開關管T關斷時,續流二極管D導通,忽略續流二極管導通電壓,輸入端電源電壓與電感器L中自感電動勢正向疊加后,通過續流二極管D對負載R供電,同時對電容器C充電。同理推導出:負增量電流與電感值成反比,與關斷時間成正比。下降是從上個時間充電后的電流點開始線形下降的。當動態平衡后,△i+=-△i-,經過占空比計算公式推導后得:在設計中輸入15V~21V,整流濾波后可得約18V~25V的直流電壓,而設計要求輸出為30V~36V。那么當輸入是18V變換到36V時,升壓比最大,則占空比最大,記為α1,從25V變換到30V時,升壓最小,則占空比最小,記為α2,經過推算:α2=1/6,α1=1/2。

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          電路設計及參數選擇

          此設計采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。其內部框圖如圖4,UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式,共有8個引腳,各腳功能如下:①腳是誤差放大器的輸出端,外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性;②腳是反饋電壓輸入端,此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準電壓進行比較,產生誤差電壓,而控制脈沖寬度;③腳為電流檢測輸入端,當檢測電壓超過1V時停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態;④腳為定時端,內部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數決定,f=1.8/(RT×CT);⑤腳為公共地端;⑥腳為推挽輸出端,內部為圖騰柱式,上升、下降時間僅為50ns驅動能力為±1A;⑦腳是直流電源供電端,具有欠、過壓鎖定功能,芯片功耗為15mW;⑧腳為5V基準電壓輸出端,有50mA的負載能力。輸入端接Rl再輸入到芯片電源端,由于UC3842啟動電壓需要16V,輸入經整流濾波后至少有18V左右,可保證正常啟動。串聯電阻Rl取100Ω或不用R1,直接接至18V電源也可正常工作。UC3842振蕩器可以工作高達500kHz,經過計算選擇較折中的頻率40kHz取Rt=10k,Ct=4.7nF,Rt接在振蕩端和參考電壓8腳處,4腳退耦電容C3取0.1uF。

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          過流保護電路

          用單片機和ADC0832來采樣。采樣電阻Rss=0.1Ω,用溫度系數很小的繞線電阻,但不能直接采樣Rss兩端的電壓,因為運放不能輸入比電源電壓大的信號,所以要設計恒降壓電路,將Rss兩端的電壓同時減去一個常數,再進行差分放大,如圖5。

          讓穩壓電源更“穩”的獨門絕技
           
          恒壓源用TL431準確穩定在一個固定的電壓,設置兩個恒壓源壓降一致。由于運放采用12V單電源供電,所以將電壓降到6V以下才能工作;又因為輸出最大電壓為36V,設計的恒壓源壓降為19V,那么下面兩個電阻可用同樣阻值的精密可調來實現抽頭在中間位置,則U=36—19=8V進行1/2分壓得4V。當電流為2A時Rss上壓降為0.2V,則到差放上的電壓差為0.1V,放大15倍后再經恒壓源壓降,保證變化范圍在0~5V后送給0832采樣,同時通過0832的另外一個通道采樣得輸出電壓值。經過單片機計算電流電壓后判斷是否超過2.5A的電流,如果是,再利用繼電器斷開負載并用蜂鳴器報警,然后等待恢復。延時數秒后再次嘗試接通負載,這就實現了過流保護和恢復后自動啟動的功能。同時把采樣到的電流、電壓顯示在數碼管上。系統還設計了鍵盤設置電壓增減的功能,該芯片采用ZLG7290鍵盤顯示芯片可以簡化設計復雜度。

          總結

          開關電源是公認的高效電源變換電路,開關電源電路系統結合軟硬件,線路簡單,設計精巧。經研究設計證明,制作出的樣品經測試后,有較好的穩壓效果,能夠達到設計指標。

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