寬范圍輸出開(kāi)關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)

于江豪，文進(jìn)才，李文鈞

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

寬范圍輸出開(kāi)關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)

于江豪，文進(jìn)才，李文鈞

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

針對(duì)輸出電壓為5 V～100 V的開(kāi)關(guān)電源，提出了一種以STM32F103微處理器和SG3524為控制核心的設(shè)計(jì)方案.電源設(shè)計(jì)主電路采用DC/DC推挽型功率變換器，STM32F103通過(guò)內(nèi)部DAC輸出電壓與采樣反饋的輸出電壓誤差比較后作為SG3524的基準(zhǔn)電壓，SG3524根據(jù)基準(zhǔn)電壓的變化自動(dòng)產(chǎn)生PWM波，經(jīng)IR2110功率放大后驅(qū)動(dòng)MOSFET，調(diào)節(jié)MOSFET的輸出脈寬，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的連續(xù)可調(diào).測(cè)試結(jié)果表明，輸出電壓可調(diào)范圍為5 V～100 V，最大輸出功率為200 W，達(dá)到了良好的效果，驗(yàn)證了方案的可行性.

開(kāi)關(guān)電源；微處理器；寬范圍輸出

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，一般的開(kāi)關(guān)電源由于輸出電壓?jiǎn)我槐憩F(xiàn)出諸多不完善的地方，無(wú)法滿(mǎn)足目前各種設(shè)備對(duì)多種電壓需求，寬范圍輸出可調(diào)式開(kāi)關(guān)電源凸現(xiàn)出其優(yōu)越性.

從20世紀(jì)末以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始加大對(duì)可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的研究，并取得了顯著成效.文獻(xiàn)[1]研究了相移全橋式開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源電壓在42 V～54 V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流為15 A，滿(mǎn)載效率為94.4%，雖然效率高，但是存在輸出電壓范圍窄的缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[2]研究了單相功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源電壓在30 V～100 V連續(xù)可調(diào)，最大輸出功率為100 W，效率為93.9%，同樣存在輸出電壓范圍較窄的問(wèn)題，而且功率較小.在射頻消融儀等產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)中，需要把24 V直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)? V～100 V連續(xù)可調(diào)直流電源，而普通的可調(diào)直流電源輸出電壓范圍較窄且功率較小[3-4].本文針對(duì)這一情況進(jìn)行了研究和分析，提出了相應(yīng)的解決方案，適用于射頻消融儀系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景.

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1 設(shè)計(jì)總體方案

系統(tǒng)以STM32F103處理器為控制核心，主要由STM32處理器、PWM產(chǎn)生模塊、柵極驅(qū)動(dòng)模塊、功率變換模塊、整流濾波模塊、采樣反饋模塊、LCD顯示、旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)和輔助電源構(gòu)成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示.24 V電源一路進(jìn)入輔助電源電路，輔助電源為整個(gè)控制電路IC、人機(jī)交互部分及采樣反饋模塊提供穩(wěn)定的直流電源；另一路輸入到功率變換電路，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后輸出穩(wěn)定直流電壓，經(jīng)過(guò)采樣反饋模塊，將調(diào)理后的電壓信號(hào)送入到STM32F103內(nèi)部ADC，STM32F103通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的采樣分析、軟件處理后得出當(dāng)前輸出電壓值，STM32F103比較預(yù)設(shè)電壓和實(shí)際電壓值，根據(jù)電壓差通過(guò)內(nèi)部DAC輸出不同的電壓值控制PWM產(chǎn)生電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)占空比，然后將PWM信號(hào)送給柵極驅(qū)動(dòng)模塊處理后輸出PWM波，PWM波被功率變換模塊放大后，再通過(guò)整流濾波模塊濾除高次諧波和噪聲，從而獲得穩(wěn)定的預(yù)設(shè)電壓.

2 電源技術(shù)指標(biāo)

輸入直流電壓為20 V～28 V，輸出電壓為5 V～100 V，步進(jìn)值為0.5 V，最大輸出功率為200 W，電源紋波系數(shù)小于0.8%，輸出電壓精度小于2%，整機(jī)平均效率不低于85.0%.

3 電路設(shè)計(jì)

本文主要提出了一種寬范圍輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，并給出了部分關(guān)鍵電路的分析計(jì)算過(guò)程，且對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn).由于篇幅所限，本文主要對(duì)PWM產(chǎn)生電路、推挽式開(kāi)關(guān)變換電路、變壓器等設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明，其余電路不再贅述.

3.1 PWM產(chǎn)生電路

PWM控制信號(hào)用PWM專(zhuān)用集成芯片SG3524生成.該芯片是美國(guó)硅通用公司制造的雙通道PWM控制器，是一種比較好的PWM波控制芯片，廣泛用于開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中.SG3524芯片主要包含基準(zhǔn)電源、誤差放大器、可外設(shè)頻率的振蕩器、限流比較器、二分頻觸發(fā)器、互補(bǔ)輸出晶體管、限流比較器、輸出封鎖等電路[5-6].其內(nèi)置的振蕩器用于產(chǎn)生鋸齒波，而且頻率是可自己設(shè)定的，振蕩頻率f由下式?jīng)Q定：

(1)

圖2 PWM控制電路

其中，Rt為振蕩器定時(shí)電阻，Ct為振蕩器定時(shí)電容.PWM控制電路如圖2所示.Rt接在引腳6，Ct接在引腳7.本設(shè)計(jì)把振蕩頻率設(shè)為78 kHz，取Rt=15 kΩ，Ct=1 nF.引腳11和引腳14輸出的PWM信號(hào)頻率為39 kHz.電源輸出直流電壓經(jīng)過(guò)采樣電阻分壓及電壓跟隨器隔離后作為電壓反饋信號(hào)uf，將STM32F103的DAC輸出電壓uDA與uf經(jīng)誤差放大器比較放大后輸入到SG3524頻率補(bǔ)償端(引腳9)，通過(guò)調(diào)節(jié)DAC輸出電壓就可調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)的占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的.將過(guò)流檢測(cè)電阻Rs采集的電壓信號(hào)輸入到SG3524的電流限制檢測(cè)正輸入端(引腳4)，一旦檢測(cè)到Rs的電壓超過(guò)200 mV，SG3524關(guān)斷輸出，實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)功能.此外，STM32F103會(huì)對(duì)過(guò)壓、過(guò)熱等故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，STM32F103的IO將輸出保護(hù)信號(hào)up輸入到SG3524的外部控制端(引腳10)，一旦up為高電平，將關(guān)斷引腳11和引腳14的PWM信號(hào)，功率電路的MOSFET關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路的保護(hù)功能.

3.2 推挽式功率變換電路

推挽式功率變換電路簡(jiǎn)化圖如圖3所示.圖3中，Ui是直流輸入電壓，Uo是直流輸出電壓，Q1和Q2是MOSFET開(kāi)關(guān)管，T是帶有中心抽頭的變壓器.PWM1和PWM2是相位相差180°的矩形脈沖，用來(lái)控制Q1和Q2交替導(dǎo)通.當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，Ui通過(guò)Q1被加到變壓器初級(jí)線(xiàn)圈N11的兩端，通過(guò)互感在變壓器次級(jí)線(xiàn)圈N21繞組的兩端感應(yīng)出一個(gè)與N11繞組輸入電壓成正比的電壓，當(dāng)Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂箷r(shí)，Q2由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通，此時(shí)，Ui通過(guò)Q2被加到變壓器N12的兩端，通過(guò)互感在變壓器次級(jí)線(xiàn)圈N22繞組的兩端感應(yīng)出一個(gè)與N12繞組輸入電壓成正比的電壓[7].每個(gè)開(kāi)關(guān)管都是半周期的導(dǎo)通和截止，將直流輸入電壓Ui轉(zhuǎn)變成高頻交流電壓.經(jīng)過(guò)二極管D1，D2的全波整流，再經(jīng)過(guò)L和C的濾波后即可得到穩(wěn)定的輸出電壓Uo.

圖3 推挽式功率變換電路

3.3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

3.3.1 變壓器設(shè)計(jì)方法選擇

本設(shè)計(jì)中變壓器的工作頻率為39 kHz，功率為200 W，效率為85.0%，變壓器為高頻工作狀態(tài).面積乘積(Area Product，AP)法是選擇高頻變壓器磁芯的有效方法，故本設(shè)計(jì)中利用此法進(jìn)行設(shè)計(jì)[8].

利用AP法選擇磁芯的計(jì)算公式為：

(2)

其中，Ae為磁芯的有效截面積；Aw為磁芯窗口面積；kc為繞組的窗口填充系數(shù)，一般取0.4；J為漆包線(xiàn)的電流密度，通常取2～5 A/mm2；Bw為磁芯正常工作時(shí)的磁通密度；PT為變壓器傳遞的視在功率；ku為波形系數(shù)，方波的波形系數(shù)通常取4；f為工作頻率.

3.3.2 變壓器匝數(shù)的確定

式(2)中視在功率PT為：

(3)

輸出功率Po=UoIo=100×2=200 W，將Po=200 W，η=0.88代入式(3)得PT=521 W，取導(dǎo)線(xiàn)密度J=4 A/mm2，工作時(shí)磁通密度應(yīng)該小于飽和磁通密度的1/3.因此，確定工作磁通密度為0.3 T，f=39 kHz，根據(jù)式(2)計(jì)算的Ap為6 471 mm4，再加20%的余量，取Ap=7 765 mm4，經(jīng)查閱最終選擇外徑D外為33.02 mm，內(nèi)徑D內(nèi)為19.94 mm，高度H為10.67 mm的鐵硅鋁磁環(huán)，由于采用了3個(gè)磁環(huán)并繞，則有效截面積為：

(4)

(5)

Ap=65 208 mm4>7 765 mm4

(6)

所選用磁芯的Ap值大于通過(guò)AP法計(jì)算的Ap值，符合磁芯選擇要求.

為了確保一個(gè)周期內(nèi)磁芯能夠正常復(fù)位，PWM波占空比設(shè)為45%，則變壓器的初級(jí)繞組匝數(shù)N1為：

(7)

其中，變壓器初級(jí)輸入電壓Ui為24 V；T為PWM波的周期，等于頻率f的倒數(shù)；ΔB為磁通密度變化量，等于二倍的Bw.

為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，初級(jí)線(xiàn)圈取3匝.次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)N2為

(8)

其中，輸出電壓Uo為100 V，因此變壓器的初次級(jí)匝數(shù)分別為3匝和13匝.

由于開(kāi)關(guān)放大電路采用的是推挽型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以采用雙線(xiàn)并繞方式，又考慮到工作頻率較高，為了有效降低信號(hào)干擾的程度，把兩根漆包線(xiàn)按一定的密度相互絞在一起，使得每一根線(xiàn)在傳輸中輻射出來(lái)的電磁波被另一根線(xiàn)上發(fā)出的電磁波抵消[9].

圖4 開(kāi)關(guān)電源程序流程圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要根據(jù)設(shè)定電壓完成對(duì)輸出電壓的調(diào)整和顯示、過(guò)壓和過(guò)流的保護(hù)等功能.程序流程圖如圖4所示.STM32F103上電或復(fù)位后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，同時(shí)檢測(cè)電路是否正常，如果正常然后打開(kāi)電源，根據(jù)設(shè)定電壓值和AD采集電壓值自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到輸出電壓連續(xù)可調(diào)的目的.

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

本設(shè)計(jì)根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)仿真，制作的實(shí)物圖如圖5所示.

通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)電壓，測(cè)量輸出電壓，觀察LCD顯示的電壓，并通過(guò)示波器測(cè)試紋波電壓.經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)設(shè)定電壓，測(cè)量輸出電壓后發(fā)現(xiàn)，輸出電壓范圍可達(dá)到5 V～100 V連續(xù)可調(diào)，步進(jìn)值為0.5 V.由于篇幅所限，對(duì)實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的結(jié)果如表1所示.通過(guò)表1可以看出，電源的連續(xù)性較好，實(shí)現(xiàn)了從5 V到100 V的調(diào)節(jié)，且電源紋波系數(shù)均小于0.8%，在5 V～10 V時(shí)電壓精度為±2%，在10 V～100 V時(shí)電壓精度為±1%.LCD顯示電壓與實(shí)際測(cè)試電壓誤差小于1%.表明達(dá)到了輸出5 V～100 V連續(xù)可調(diào)，精度高的性能，優(yōu)于市面上常見(jiàn)開(kāi)關(guān)電源1%的紋波系數(shù).

圖5 設(shè)計(jì)實(shí)物圖

表1 實(shí)測(cè)電壓與預(yù)設(shè)電壓比較

在輸出端加上滿(mǎn)載的功率電阻后，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流，通過(guò)計(jì)算得到輸入、輸出功率并計(jì)算出各次的效率，其結(jié)果如表2所示.從表2可以看出，在寬范圍輸出電壓的情況下，設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源仍然有較高的效率，優(yōu)于市面上常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源(85%～90%)，最大輸出功率達(dá)到200 W.

表2 不同輸出電壓下電源的效率

此外，本設(shè)計(jì)電源還具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能.將大功率滑線(xiàn)變阻器(300 W/1 kΩ)作為負(fù)載，測(cè)量輸出電壓、電流值，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)將輸出電壓調(diào)到最大，改變負(fù)載值，發(fā)現(xiàn)一旦電流達(dá)到2.5 A或者電壓超過(guò)110 V時(shí)，蜂鳴器立即報(bào)警，LCD顯示警告，系統(tǒng)立即關(guān)斷輸出，實(shí)現(xiàn)了過(guò)壓和過(guò)流保護(hù).當(dāng)排除過(guò)壓或過(guò)流故障后，打開(kāi)電源仍可繼續(xù)工作.

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)寬范圍輸出開(kāi)關(guān)電源的方案，為了檢驗(yàn)方案的可行性和實(shí)用性，根據(jù)方案制作了實(shí)物.通過(guò)對(duì)實(shí)物的各種測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo).同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如在輸出電壓較低(5～10V)時(shí)精度還需要進(jìn)一步提高.這是由于在輸出低壓情況時(shí)，開(kāi)關(guān)管每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間較短，輸出電感處于非連續(xù)工作模式.本設(shè)計(jì)采用STM32F103組成的控制電路可以有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，實(shí)時(shí)性好，且采用集成芯片簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，從而提高了電源的穩(wěn)定性和輸出分辨率.

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Research and Design of Switching Power Supply with Wide Range of Output

YU Jianghao, WEN Jincai, LI Wenjun

(KeyLaboratoryofRFCircuitandSystem,MinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

A design scheme based on STM32F103 and SG3524 is proposed for the switching power supply with the output voltage of 5 V～100 V. The DC/DC push-pull power converter is used for the main circuit of the switching power supply, and STM32F103 uses the internal DAC to output voltages, and after comparing them with sampling feedback output voltage errors, analog voltages are taken as the reference voltage of the SG3524. Then SG3524 generates PWM automatically according to the variation of reference voltage. The PWM is used to drive the main circuit MOSFET and regulate the MOSFET output pulse width after be amplified by IR2110 power amplifier, to achieve continuously adjustable output voltages. The test results indicate that the output voltage of the switch power supply can be adjusted continuously from 5 V to 100 V, the maximum output power is 200 W, which achieves the good effect, and the feasibility of the scheme is verified.

switching power supply; CPU; wide range output

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.004

2016-09-18

于江豪(1990-)，男，河南滎陽(yáng)人，碩士研究生，電路與系統(tǒng).通信作者：文進(jìn)才副教授，E-mail：jcwen@hdu.edu.cn.

TN86

A

1001-9146(2017)04-0015-05