基于第二代Vicor模塊的開關(guān)電源數(shù)控調(diào)壓設(shè)計(jì)

崔夢(mèng)宇 呂托 孫曉慧 張雅琪

摘 要：根據(jù)某型號(hào)系統(tǒng)供電要求，以第二代Vicor模塊為核心進(jìn)行開關(guān)電源的數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)場(chǎng)無人值守的情況下，能夠?qū)﹂_關(guān)電源進(jìn)行遠(yuǎn)控調(diào)壓操作。該樣機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過了應(yīng)力篩選試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)的考核，表明該設(shè)計(jì)具有良好的工作可靠性、安全性、維修性、測(cè)試性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性。同時(shí)，證明了該開關(guān)電源的數(shù)控調(diào)壓設(shè)計(jì)方案合理可行。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 數(shù)控調(diào)壓 設(shè)計(jì)方案

中圖分類號(hào)：TP17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0028-02

隨著科技的不斷發(fā)展，近年來，數(shù)字化理念在開關(guān)電源領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。許多電子設(shè)備要求開關(guān)電源輸出電壓可以自動(dòng)設(shè)置。因此，這里提出了一種基于第二代Vicor模塊，利用數(shù)字控制電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓可以調(diào)節(jié)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。最終達(dá)到了開關(guān)電源的輸出電壓可以通過數(shù)字控制進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置。

1 基本設(shè)計(jì)方案及工作原理

本開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案采用模塊化設(shè)計(jì)。模塊化電源一般稱為電源模塊，有時(shí)簡(jiǎn)稱模塊。在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的時(shí)代，電源的應(yīng)用更加廣泛，這也對(duì)電源的功能提出了更高的要求。因此，在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，都希望縮短開發(fā)周期，使產(chǎn)品變更參數(shù)時(shí)設(shè)計(jì)靈活，降低開發(fā)成本，減小電源體積，使其可靠性高，輸出電壓可調(diào)性好，便于冗余設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的電磁兼容性等。電源模塊由于優(yōu)化了開關(guān)電源電路，采用先進(jìn)的制造工藝，將復(fù)雜的開關(guān)電源濃縮成小體積的電源模塊，適合了上述技術(shù)要求，因此得到廣泛的應(yīng)用。

Vicor公司在2000年前后，在VI-200和VI-J100的基礎(chǔ)上，推出了新一代電源模塊——MAXI、MINI和MICRO系列電源模塊。

首先，在準(zhǔn)諧振電路基礎(chǔ)上，在共漏極主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電流ZCS和零電壓ZVS軟開關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步減少了損耗和噪聲。其次，輸入和輸出分別采用主控MCU和輸出控制MCU智能管理，并有變壓器隔離，增加了控制功能和抗干擾能力。最高工作頻率可以達(dá)到2MHz。

在工藝上，增加了器件的集成度，減少了元器件數(shù)量，減少了主要功率器件的熱阻?？傊谛屎凸β拭芏壬隙加辛溯^大的提高。

本開關(guān)電源的數(shù)字調(diào)壓是基于以上VICOR模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的。總體數(shù)控調(diào)壓開關(guān)電源的方案原理框圖如圖1所示。

輸入整流濾波電路將輸入交流220VAC電壓整流濾波成為高壓直流電，提供給功率轉(zhuǎn)換電路和輔助電源電路；輔助電源電路為功率轉(zhuǎn)換電路提供12V輔助電源；緩啟動(dòng)控制電路在電源開機(jī)時(shí)有效的控制輸入端沖擊電流，提高電源的工作可靠性；開機(jī)控制電路通過接收外部的模擬開機(jī)信號(hào)進(jìn)行開關(guān)機(jī)控制；保護(hù)電路是當(dāng)電源出現(xiàn)輸出過壓、輸出過流、輸出短路、輸出過熱等故障時(shí)，對(duì)電源起到保護(hù)作用的電路設(shè)計(jì)；信號(hào)處理電路主要功能是將開關(guān)電源的輸出電壓信號(hào)、輸出電流信號(hào)、輸出過壓信號(hào)、輸出過流信號(hào)、輸出短路信號(hào)、輸出過溫度信號(hào)等通過以太網(wǎng)口上傳給上一級(jí)系統(tǒng)，同時(shí)，上一級(jí)系統(tǒng)也可以通過以太網(wǎng)口對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行輸出電壓的設(shè)置。

本方案重點(diǎn)描述圖1中數(shù)控調(diào)壓電路部分。該部分電路設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)、功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)口設(shè)計(jì)等。

2 開關(guān)電源的數(shù)控調(diào)壓設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)上述開關(guān)電源設(shè)計(jì)的方案，介紹開關(guān)電源的數(shù)控調(diào)壓電路設(shè)計(jì)過程包括數(shù)字調(diào)壓電路設(shè)計(jì)（信號(hào)處理電路）、功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)（基于VICOR模塊設(shè)計(jì)）、調(diào)壓接口電路設(shè)計(jì)（信號(hào)處理電路）、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)（以太網(wǎng)口）等。

2.1 數(shù)字調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

本開關(guān)電源的輸出調(diào)壓信號(hào)采用T1的12位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638QD完成，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系為控制信號(hào)0～5V對(duì)應(yīng)開關(guān)電源輸出電壓為0～50V，CPU和DA轉(zhuǎn)換器之間依靠SPI通信總線來控制，最終通過運(yùn)算放大器LM258構(gòu)成跟隨器將數(shù)字調(diào)壓信號(hào)輸出為VSET。具體電路圖如圖2所示。

2.2 功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本電源的功率轉(zhuǎn)換部分采用Vicor模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)選用的Vicor模塊型號(hào)為V300A36T500BL，額定輸出電壓為36V（本電源模塊的輸出電壓范圍為3.6～39.6V）。當(dāng)該Vicor模塊輸出電壓為額定輸出時(shí)，SC管腳所對(duì)應(yīng)的輸出電壓為1.23V。即1.23V對(duì)應(yīng)36V的輸出電壓，根據(jù)3.1的數(shù)字調(diào)壓設(shè)計(jì)電路可以按需設(shè)置所需要的輸出電壓。

2.3 調(diào)壓接口電路設(shè)計(jì)

由于Vicor模塊的輸出端SC腳可以外接電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，調(diào)節(jié)Vicor模塊的輸出電壓有兩種輸入，一種是采取運(yùn)算放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓；另一種是外加其他電壓產(chǎn)生的輸出電壓。這兩種外加電壓的區(qū)別就是前一種電壓調(diào)低輸出電壓的時(shí)候，并沒有形成回路，因此需要一個(gè)接-S的電阻，形成一個(gè)電流回路，保證SC腳的電壓在要求的數(shù)值。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本開關(guān)電源的數(shù)字調(diào)壓接口電路按照第一種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體的調(diào)壓接口電路如圖3所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和實(shí)際測(cè)試可知，圖3中的R1、C1、L1的取值如下。

R1：RJ24-0.25W-100Ω±1%；C1：CD263-10V-2.2uF±20%；L1：75μH。

2.4 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)將開關(guān)電源的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量通過網(wǎng)絡(luò)接口傳遞給上級(jí)系統(tǒng)并可以與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)端調(diào)壓控制功能。上位機(jī)通過查詢主、副網(wǎng)絡(luò)接口任意一個(gè)IP地址，即可以系統(tǒng)的工作參數(shù)，其中一路故障后，另外一路還可以負(fù)責(zé)傳遞故障參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)接口采取主副通信模塊冗余的控制設(shè)計(jì)方案，其中主、副網(wǎng)絡(luò)接口分配為不同的IP地址，由于本設(shè)計(jì)是采用主、副通信模塊冗余設(shè)計(jì)，分別有兩個(gè)嵌入式CPU進(jìn)行控制，不能實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)卡綁定，只有同一個(gè)CPU控制下的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器才能實(shí)現(xiàn)不同的接口綁定同一個(gè)IP地址，實(shí)現(xiàn)的方式是CPU偵測(cè)其中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，如果發(fā)現(xiàn)不能連接等故障后，自動(dòng)切換到另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)連接通信，綁定過程依靠軟件偵測(cè)來實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)通信過程中涉及查詢參數(shù)和控制參數(shù)，其中查詢參數(shù)包括每臺(tái)電源的輸出電壓、輸出電流、過壓保護(hù)信號(hào)、過流保護(hù)信號(hào)；設(shè)置參數(shù)主要包括開關(guān)電源的電壓輸出控制參數(shù)等。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

本開關(guān)電源的輸出電壓設(shè)置為30V，最大輸出電流為30A。

根據(jù)本開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行樣機(jī)的安裝和調(diào)試。經(jīng)過測(cè)試，得到的結(jié)果是數(shù)控調(diào)壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)合理可靠，調(diào)壓電壓與設(shè)置輸出電壓成線性比例，調(diào)壓電壓經(jīng)過信號(hào)傳遞至VICOR模塊的SC端穩(wěn)定可靠，滿足VICOR模塊的調(diào)壓要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 庚雷，李龍文，劉勝利.開關(guān)電源模塊化與數(shù)字化技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] Ron Lenk，著.實(shí)用開關(guān)電源設(shè)計(jì)Practical Designof Power Supplies[M].王正仕，張軍明，譯.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[3] Abraham I.Pressman，著.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].2版.王志強(qiáng)，譯.北京：人民郵電出版社，2006.

[4] 沙占友.開關(guān)電源設(shè)計(jì)入門[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.