針對(duì)寬輸入范圍開關(guān)穩(wěn)壓電源的研究與設(shè)計(jì)

王如昌，張文超

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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針對(duì)寬輸入范圍開關(guān)穩(wěn)壓電源的研究與設(shè)計(jì)

王如昌，張文超

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：針對(duì)輸入電壓為45～275 V的開關(guān)電源，提出了一種基于全橋和Boost的設(shè)計(jì)方案.輸入電壓在45～100 V時(shí)先通過Boost升壓電路將電壓升到110 V，然后經(jīng)過全橋得到所需的電壓，輸入電壓在100～275 V時(shí)直接通過全橋電路獲得所需電壓.針對(duì)該方案對(duì)外圍輔助電路進(jìn)行了具體優(yōu)化和設(shè)計(jì)，使得輸出的電壓紋波小于0.5%，達(dá)到了良好的穩(wěn)壓效果，驗(yàn)證了方案的可行性.

關(guān)鍵詞：寬輸入；全橋；Boost；穩(wěn)壓電源

0引言

線性穩(wěn)壓電源雖然具有輸出電壓穩(wěn)定度高、紋波電壓小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其電源效率低，并且需要使用體積龐大的工頻變壓器[1-2].與線性電源相比，開關(guān)電源具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、整機(jī)溫升變化不大且多路電壓輸出易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各種生活、生產(chǎn)電子設(shè)備電源電路中.隨著開關(guān)電源在各行業(yè)的大范圍運(yùn)用，對(duì)開關(guān)電源的性能指標(biāo)提出了更加嚴(yán)格的要求.在某些邊遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)開關(guān)電源的輸入電壓范圍要求更寬[3]，但是普通的開關(guān)電源的輸入范圍一般為90～265 V.本文針對(duì)這一情況進(jìn)行了研究和分析，提出了解決方案，方案先對(duì)輸入電壓進(jìn)行比較，再對(duì)輸入電壓45～100 V的部分進(jìn)行升壓處理，高于100 V的直接通過全橋變換器得到所需電壓.本方案適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)以及電力不穩(wěn)定的地方，具有良好的應(yīng)用前景.

1設(shè)計(jì)總體方案

圖1　寬輸入電源原理框圖

本設(shè)計(jì)的總體原理框圖如圖1所示.交流輸入首先經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)化為直流，整流橋輸出端接到遲滯比較器.通過遲滯比較器對(duì)輸入電壓進(jìn)行比較，若輸入電壓低于100 V則輸出一個(gè)高電壓信號(hào)控制繼電器使其工作在閉合狀態(tài)[4-7]，整流橋輸出的電流先經(jīng)過Boost升壓電路將電壓升高到110 V，再通過全橋變換器將電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓供給負(fù)載；若輸入電壓高于100 V則輸出一個(gè)低電壓信號(hào)控制繼電器使其處于常開狀態(tài)，整流橋輸出直接通過全橋變換器將電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需電壓.

2電源技術(shù)指標(biāo)

輸入交流電壓有效值范圍為45～275 V；輸出5路，分別為：1)U1為24 V/10 A，電壓紋波小于120 mV，電壓精度為2%；2)U2為12 V/10 A，電壓紋波小于60 mV，電壓精度范圍11.8～12.2 V；3)U3為-12 V/10 A，電壓紋波小于60 mV，電壓精度范圍-12.2～-11.8 V；4)U4為-5 V/10 A，電壓紋波小于25 mV，電壓上下波動(dòng)不超過0.15 V；5)U5為5 V/10 A，電壓紋波小于25 mV，電壓上下波動(dòng)不超過0.15 V.整機(jī)平均效率不低于85%.

圖2　EMI濾波器和整流電路

3電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為寬范圍輸入的開關(guān)電源提出一種具體解決方案，并給出了部分重要電路詳細(xì)的計(jì)算過程并對(duì)部分元器件的選擇進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn).由于篇幅所限，本文主要對(duì)輸入EMI濾波器、整流電路、全橋變壓器、反饋電路等設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，其余電路不再贅述.

3.1輸入EMI濾波器和整流電路設(shè)計(jì)

為減少電網(wǎng)與電源之間的互相干擾，增加了輸入EMI濾波器，并根據(jù)具體需要進(jìn)行了一定的改進(jìn)，使其滿足技術(shù)指標(biāo).輸入EMI濾波器和整流電路如圖2所示.

EMI濾波器由兩個(gè)抗串模干擾的X電容(C1和C2)和兩個(gè)抗共模干擾的Y電容(C3和C4)及一個(gè)共模扼流線圈(L)組成.X電容一般采用兩級(jí)電容，前一級(jí)選用0.47 μF，第二級(jí)選用0.1 μF.X電容容量大小和電源的功率無直接的關(guān)系，一般采用0.1～1 μF均可，根據(jù)輸入電壓最大有效值可采用X2電容[8].Y電容是高壓陶瓷電容，一般取值在1～100 nF，本設(shè)計(jì)采用4.4 nF的Y2電容，共模扼流線圈電感取值在100～1 000 mH，本設(shè)計(jì)采用由鐵氧體磁環(huán)繞制的220 mH共模扼流線圈.

圖3　橋式變壓器磁芯選擇圖

3.2全橋變壓器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用鐵氧體為磁芯的全橋式變電路變壓器，輸入電壓為90～275 V(AC，50 Hz)，工作頻率為40 kHz，輸出功率P0=580 W，效率為85%.

3.2.1輸入功率的計(jì)算

(1)

橋式工作磁芯選擇圖如圖3所示.根據(jù)圖3選定A16鐵氧體材料EE55/25/25，有效磁芯截面積Ae=354 mm2，感應(yīng)密度增量△B=0.2 T.

3.2.2最低一次直流電壓的計(jì)算

輸入電壓波動(dòng)±10%，則最低一次直流電壓Vp為：

V1 min=90-90×0.1=81 V

(2)

(3)

當(dāng)占空比為0.5時(shí)，功率管一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的最大時(shí)間ton(max)為：

(4)

一次繞組匝數(shù)Np為：

(5)

3.2.3每伏匝數(shù)的計(jì)算

每伏匝數(shù)n為：

(6)

設(shè)二極管管壓降為0.8 V，整流濾波繞組壓降為1.2 V，則24 V輸出對(duì)應(yīng)的二次繞組匝數(shù)為：

(7)

這里取5匝.其余4路輸出計(jì)算由于篇幅所限就不贅述了.

3.2.4注意事項(xiàng)

在繞制變壓器時(shí)，首先，注意伏秒值平衡問題.它與半橋式相似，由于兩只晶體管的儲(chǔ)存時(shí)間不同或是輸出整流二極管正向電壓不同，會(huì)引起變壓器一次繞組所承受的正向或反向伏秒值不平衡，這種不平衡會(huì)造成變壓器運(yùn)行期間磁感應(yīng)強(qiáng)度階梯式趨向飽和[9-11]；其次，注意瞬時(shí)飽和效應(yīng).全橋式變換電路一般是一對(duì)晶體管在飽和點(diǎn)附近工作，如果電源負(fù)載瞬時(shí)增加，控制電路則必須使脈沖加寬，這樣才能補(bǔ)償損耗和增加輸出電流，其結(jié)果是磁鐵心會(huì)出現(xiàn)單向飽和，這就是瞬時(shí)飽和效應(yīng)，將使晶體管產(chǎn)生過電流.這時(shí)只有降低晶體管的放大倍數(shù)，才可使輸出電壓波動(dòng)減小，適當(dāng)?shù)卦黾用}寬，有可能防止出現(xiàn)瞬時(shí)飽和效應(yīng).

3.3Boost升壓電路

圖4　Boost變換器的簡(jiǎn)化電路

升壓式變換器簡(jiǎn)稱Boost變換器，Boost變換器電路簡(jiǎn)化圖如圖4所示.

Ui為直流輸入電壓，U0為直流輸出電壓，VT為IGBT開關(guān)管.當(dāng)脈沖調(diào)制器(PWM)控制VT導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電感L上有脈沖電流通過從而在電感上存儲(chǔ)電能，電壓極性表現(xiàn)為左端為正、右端為負(fù)，進(jìn)而使整流二極管VD截止，此時(shí)電容C對(duì)負(fù)載放電.當(dāng)PWM控制開關(guān)管VT截止時(shí)，電感L上產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)其極性是左端為負(fù)、右端為正，使得VD導(dǎo)通.L上儲(chǔ)存的電荷經(jīng)過由L、RL和VD構(gòu)成的回路給負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)電容C進(jìn)行充電.由于開關(guān)頻率足夠高，使的輸出電壓U0能一直保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi).

3.4反饋電路設(shè)計(jì)

圖5　反饋電路原理圖

本設(shè)計(jì)的反饋電路由精密可調(diào)穩(wěn)壓器TL431和光耦合器PC817組成，其電路圖如圖5所示.

光耦合器具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)單向傳輸信號(hào)；輸入端和輸出端可以實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離；具有良好的抗干擾能力；傳輸距離遠(yuǎn)易于布線；較高的傳輸效率等[12-13].

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)仿真，并根據(jù)其原理制作了實(shí)物，其實(shí)物圖如圖6所示.

圖6　設(shè)計(jì)實(shí)物圖

電源紋波的大小是一個(gè)開關(guān)電源優(yōu)良與否的重要參數(shù)，紋波小的電源是確保數(shù)字電路穩(wěn)定工作的保證，同時(shí)也能確保模擬電路穩(wěn)定工作.因此為有效確保電源高質(zhì)量工作，必須對(duì)輸出紋波進(jìn)行測(cè)量.

正確的測(cè)量方法：

1)限制示波器帶寬為20 MHz，以有效避免數(shù)字電路的高頻噪聲對(duì)紋波測(cè)量的影響，盡可能保證測(cè)量的精確性；

2)將耦合方式設(shè)為交流耦合，以方便測(cè)量輸出紋波(以交流方式測(cè)量紋波可以有效地減少直流分量對(duì)紋波測(cè)量的影響，更加的精確的測(cè)量紋波)；

3)確保示波器與測(cè)試設(shè)備之間除探頭之外沒有任何的共地，若示波器與設(shè)備之間有多余的共地，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)的多點(diǎn)地形成耦合，造成測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差[14-15]；

通過對(duì)改變輸入電壓對(duì)設(shè)定輸出24 V路進(jìn)行了多次紋波和穩(wěn)壓測(cè)試測(cè)得其輸出電壓及對(duì)應(yīng)的紋波峰峰值并求得平均值和誤差，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到表1和圖7.通過表1和圖7可以看出電源達(dá)到了良好的穩(wěn)壓效果，市面上常見的電源在輸出24 V時(shí)的紋波一般在120～240 mV，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的紋波處理優(yōu)于市面上常見的電源.由于篇幅所限，其余4路的測(cè)試不再贅述.

將5路輸出加上滿載的功率電阻對(duì)整機(jī)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得每次輸出電壓、輸入功率，通過計(jì)算得到輸出功率并計(jì)算出各次的效率以及對(duì)應(yīng)平均效率值.各次輸入功率因數(shù)通過實(shí)驗(yàn)器材直接得到并求得平均值及誤差.其結(jié)果如表2所示.

常見的線性電源效率一般在70%～75%，開關(guān)電源的開關(guān)效率在85%～90%，功率因數(shù)一般在0.90左右，通過表2和圖7可以看出本設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)果優(yōu)于市面上常見的開關(guān)電源.

表1　穩(wěn)壓效果測(cè)試

表2　整機(jī)測(cè)試結(jié)果

圖7　輸出電壓和紋波散點(diǎn)圖

5結(jié)束語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)了一種針對(duì)寬輸入范圍開關(guān)電源的方案，為了驗(yàn)證方案的可行性和實(shí)用性，依照設(shè)計(jì)制作了實(shí)物.通過對(duì)實(shí)物進(jìn)行各種測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了部分問題，如負(fù)載調(diào)整率還需進(jìn)一步提高.本設(shè)計(jì)解決了在某些環(huán)境下需要多臺(tái)開關(guān)電源聯(lián)機(jī)工作才能完成所需電壓變換，節(jié)約了成本，并防止了誤接電源發(fā)生安全事故，具有良好的應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)

[1]張巧杰,熊鳴,祁鯤.兩路單端電流反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,26(4):36-39.

[2]江秀道.電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)研究[D].南昌:南昌大學(xué),2011.

[3]趙同賀.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:30-68.

[4]姚川,阮新波,王學(xué)華.寬輸入電壓范圍下隔離型全橋Boost變換器的高效率控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(2):1-9.

[5]PAGLINAWAN,PAGLINAWAN,AVENDANO,et al.A novel mode switching power management system IC design for implantable biomedical instrumentations[C]//Integrated Circuits(ISIC), 2011,13th International Symposium on.Singapore:IEEE,2011:563-566.

[6]戎萍,陳威,鄧哲,等.適用于寬輸入電壓范圍的變拓?fù)渥兞髌鱗J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,45(3):472-479.

[7]YU T H,LIANG T J,CHEN K H,et al.Design of an AC-DC and DC-DC interleaved PWM controller for switching power supply[C]//Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE).Denver:IEEE,2013:4172-4179.

[8]顧亦磊,呂征宇,陳世杰.寬輸入電壓范圍Buck型變流器小信號(hào)環(huán)路[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(12):97-102.

[9]孫軒,馬皓.超寬輸入電壓范圍三相開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].機(jī)電工程,2010,27(4):97-107.

[10]BINDU S J,BABU C A.Analysis and design of a Single Stage Single Switch Power Factor converter to reduce bus voltage stress with high input power factor and fast output voltage regulation[C]//Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL),2012 IEEE 13th Workshop on.Kyoto:IEEE,2012:1-7.

[11]邵建設(shè),明星,方志雄,等.寬電壓輸入多路輸出逆變控制開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2013,37(12):2190-2193.

[12]OU S Y,HSIAO H P.Analysis and design of a novel single-stage switching power supply with half-bridge topology[J].Power Electronics,IEEE Transactions on, 2011,26(11):3230-3241.

[13]胡志強(qiáng),王改云,王遠(yuǎn).多路單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(14):162-165.

[14]SHARAF A M, AMMAR M.A switched power filtter compensator scheme for ac motorized electrical loads[C]//Electric Power Conference,2008.EPEC 2008.Vancouver:IEEE, 2008:1-6.

[15]GALLO C,TOFOLI F L,COELHO E A A,et al.A Switched-Mode Power Supply Using A Boost- Flyback Converter and An Interleaved Soft-Switching Forward Topology[C]//Power Electronics Specialists Conference,2008.PESC 2008.IEEE.Rhodes:IEEE,2008:4162-4167.

Research and Design of Switching Power Supply with Wide Input Range

WANG Ruchang, ZHANG Wenchao

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：A design scheme based on full bridge and Boost is proposed based on the input voltage of 45-275 V. The input voltage is raised to 110 V through the Boost converter when input voltage at 45-100V, and then the required voltage is obtained by the whole bridge, and the required voltage is obtained directly through the full bridge circuit when input voltage at 100-275 V. In this scheme, the design of the peripheral auxiliary circuit is optimized and designed, the output voltage ripple is less than 0.5%, which achieves the good effect, and the feasibility of the scheme is verified.

Key words：wide range input; full bridge; Boost; voltage stabilized power supply

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.02.004

收稿日期：2015-07-10

作者簡(jiǎn)介：王如昌(1989-)，男，山東梁山人，碩士研究生，電子與通信工程.通信作者：張文超教授，E-mail：zwczhang@126.com.

中圖分類號(hào)：TM402

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2016)02-0018-05