高性能開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)探討

劉秉科

（天水師范學(xué)院，甘肅天水，741001）

開(kāi)關(guān)電源在通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，通信業(yè)迅速發(fā)展又助推開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，使得開(kāi)關(guān)電源在電子信息設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。隨著大功率硅晶體管耐壓提高，1969年做成25KHz開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)多年努力開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)漕?lèi)型等研究取得很大進(jìn)展。開(kāi)發(fā)出單端貯能式反激電路，單端正激式電路，半橋電路等，可適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要。功率晶體管性能得到較大提高。隨著通信開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出更高的要求。提出應(yīng)用技術(shù)的高頻化，軟件控制的數(shù)字化，新一代電源技術(shù)含量提高，使之更加可靠穩(wěn)定安全。為提高開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)發(fā)出相移脈寬調(diào)制的零電壓開(kāi)關(guān)諧振變頻器，克服了準(zhǔn)諧和多諧振變換器頻率變化大的缺點(diǎn)，大大減小了開(kāi)關(guān)管損耗，進(jìn)一頻提高電源效率。降低變換電路對(duì)分布參數(shù)的敏感性，提高電源開(kāi)關(guān)的可靠性。開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)朝著高頻，高可靠性，低噪聲與模塊化的方向發(fā)展。

1 開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介

開(kāi)關(guān)電源利用電子電力技術(shù)控制開(kāi)關(guān)器件高頻率導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)DC/DC電壓變換。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)日益突出。效率可達(dá)90%以上，由于使用了高頻變壓器使得體積重量大幅降低，抗電磁干擾能力強(qiáng)。開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用已十分普及，小功率電源主要用于IT等領(lǐng)域，如攝像機(jī)，冰箱等儀器；大功率電源主要用于工業(yè)軍事領(lǐng)域。

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源按輸入電壓類(lèi)型分為直流與交流兩大類(lèi)，DC/DC開(kāi)關(guān)分為隔離式與非隔離式，輸出輸入無(wú)電氣隔離作用為非隔離式。隔離式開(kāi)關(guān)電源可按有源功率器件個(gè)數(shù)劃分。開(kāi)關(guān)電源種類(lèi)繁多，每種拓?fù)涓饔衅鋬?yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源前應(yīng)選擇合適的拓?fù)漕?lèi)型。反激式變換器拓?fù)湓谳敵龉β?-150W電源中應(yīng)用廣泛，具有輸出輸入電氣隔離，易于多路輸出，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，目前單管反激式開(kāi)關(guān)電源在家電領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。建國(guó)初期我國(guó)郵電部門(mén)科研人員開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)大功率電動(dòng)發(fā)電機(jī)組成套設(shè)備作為通信電源，后引進(jìn)蘇聯(lián)BCC51系列自動(dòng)化硒整流器，與工廠研制成功國(guó)產(chǎn)XZL系列自動(dòng)化硒整流器，用硒整流器裝備通信局替換電動(dòng)發(fā)電機(jī)組。

1963年研制可控硅整流器，由于文革動(dòng)亂研制工作停滯，1967年武漢通信電源廠形成系列化生產(chǎn)，供通信設(shè)備不斷改進(jìn)。80年代生產(chǎn)20kHzDC/DC變換器，無(wú)法作為通信設(shè)備一次電源使用。90年代初我國(guó)大多數(shù)通信設(shè)備采用一次帶能源為可控硅整流器，有龐大的工頻變壓器，電解電容等，效率低，不易實(shí)現(xiàn)集中控制。開(kāi)關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)為向高效，低耗，抗干擾方向發(fā)展。

2 系統(tǒng)整機(jī)分析

開(kāi)關(guān)電源由機(jī)箱，電源控制電路與電源主電路組成。電源主電路負(fù)責(zé)完成功率轉(zhuǎn)換，將市電轉(zhuǎn)換為所需的直流電輸出。電源主電路研發(fā)中必須對(duì)各部分認(rèn)真設(shè)計(jì)調(diào)試，以滿(mǎn)足電源設(shè)計(jì)要求。

控制電路是電源的大腦，應(yīng)具有驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路等功能。為使開(kāi)關(guān)電源設(shè)備正常工作，必須讓電源各部分相互協(xié)調(diào)工作。DC-DC變換器是開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換部分，對(duì)開(kāi)關(guān)器選用全橋電路較為合適，繞組能得到最優(yōu)利用。功率開(kāi)關(guān)在安全條件下運(yùn)行，需要功率元件較多，三相整流橋提供直流電壓較高，目前常用全橋式變換器有傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)式及移相式兩種。硬開(kāi)關(guān)PWM電路以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到廣泛應(yīng)用，開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，大電流關(guān)斷。開(kāi)關(guān)瞬間有大量損耗，常加入緩沖電路，可限制開(kāi)通時(shí)的du/dt，使功率負(fù)荷期間安全運(yùn)行。

硬開(kāi)關(guān)電路在開(kāi)關(guān)頻率低時(shí)缺點(diǎn)不突出，隨著頻率提高電磁干擾又成為嚴(yán)重問(wèn)題。從而出現(xiàn)了諧振式軟開(kāi)關(guān)概念，增加附加元件，利用諧振電感作用使開(kāi)關(guān)期間在正弦波零電壓處關(guān)斷。SPS裝置如圖1所示，電路主要由控制芯片LD7532A控制，通過(guò)LD7532A芯片對(duì)變電器輸出量進(jìn)行內(nèi)部調(diào)節(jié)，電壓出現(xiàn)異?？申P(guān)掉電路。LD7532A芯片內(nèi)部模塊包括基準(zhǔn)電壓，誤差放大器，針對(duì)電壓的檢測(cè)器，芯片主要特點(diǎn)是在內(nèi)部設(shè)置欠壓鎖定比較器，通過(guò)VCC引腳電壓，保持充足的動(dòng)力。出現(xiàn)故障時(shí)，可采取LD7532A保護(hù)，LD7532A芯片具有消耗低優(yōu)點(diǎn)，芯片啟動(dòng)時(shí)，電路電壓不斷提高，閾值內(nèi)部值過(guò)低時(shí)，裝置不能產(chǎn)生很強(qiáng)的脈沖信號(hào)，LD7532A裝置在芯片內(nèi)部為了CMOS設(shè)計(jì)通過(guò)PWM控制最大啟動(dòng)電流，電阻助力值過(guò)大會(huì)造成啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，合理選擇電流有利于降低功耗。

圖1 PWM控制電路

根據(jù)電路功能可將控制電路分為脈沖產(chǎn)生電路，保護(hù)電路等。脈沖產(chǎn)生電路為控制電路核心，提供控制信號(hào)所需脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件?？刂齐娐份敵鯬WM信號(hào)，需選用合適的驅(qū)動(dòng)電路，將控制電路輸出PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大以驅(qū)動(dòng)動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)管，脈沖幅度關(guān)系到開(kāi)關(guān)過(guò)程，應(yīng)認(rèn)真設(shè)計(jì)調(diào)試驅(qū)動(dòng)電路。保護(hù)電路是控制電路的重要部分，為提高電源可靠性需完善保護(hù)電路功能，應(yīng)具備過(guò)流保護(hù)與欠壓保護(hù)等基本功能。

3 開(kāi)關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)

PWM集成控制器分為電壓型與電流型兩種，電壓型有電壓反饋控制，電流型也有電流反饋控制。當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)管電流達(dá)到設(shè)定值開(kāi)關(guān)管自動(dòng)關(guān)斷，多條開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)工作時(shí)PWM開(kāi)關(guān)控制器具有均流能力。自動(dòng)消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的波紋電壓，可減小濾波電容容量，具有更快的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)電壓通過(guò)誤差放大器放大，輸出差值信號(hào)與鋸齒波比較，改變輸出脈沖寬度。

圖2 開(kāi)關(guān)電源輸入電源方式

電路主要由控制芯片LD7532A控制，通過(guò)LD7352芯片對(duì)變壓器輸出量進(jìn)行內(nèi)部調(diào)節(jié)。電壓出現(xiàn)異?？申P(guān)掉電源保護(hù)芯片。LD7532A芯片內(nèi)部模塊包括基準(zhǔn)電壓，誤差放大器，芯片特點(diǎn)是在內(nèi)部設(shè)置欠壓鎖定比較器，通過(guò)VCC引腳電壓確保能量加載到PWM控制器，有時(shí)可能出現(xiàn)故障，如電流高峰引發(fā)錯(cuò)誤操作，可采取LD7532A保護(hù)，由于LD7532A芯片具有消耗低等優(yōu)點(diǎn)，啟動(dòng)時(shí)電路電壓不斷提高，其閾值內(nèi)部值過(guò)低裝置不能產(chǎn)生很強(qiáng)的脈沖信號(hào)。LD7532A裝置在芯片內(nèi)部為CMOS設(shè)計(jì)通過(guò)PWM控制最大啟動(dòng)電流，電阻阻力值過(guò)大造成啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，合理選擇電阻有利于降低功耗。

檢測(cè)電路反饋可采用精密穩(wěn)壓源TL431，通過(guò)對(duì)輸出電壓取樣檢測(cè)，反饋信號(hào)傳遞到初級(jí)變壓器，通過(guò)LD7532A芯片控制占空比保持輸出電壓穩(wěn)定。由于電源開(kāi)關(guān)引起漏電，出現(xiàn)電感電壓突然增高情況，設(shè)計(jì)緩沖器以釋放能量。考慮到SPS裝置對(duì)變壓器閉合回路產(chǎn)生寄生電感，其產(chǎn)生的反向電壓是造成開(kāi)關(guān)器損壞的主要原因，必須設(shè)計(jì)RCD緩沖電路。

4 元器選擇與仿真

設(shè)計(jì)輸入交流電壓范圍為90-240V，直流電壓為交流電壓的1.3倍，考慮裕量輸入最低電壓105V，開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力為700V，整合二極管電壓應(yīng)力。如變壓器匝比設(shè)為8，選擇初級(jí)匝數(shù)為64。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器存儲(chǔ)能量對(duì)輸出電容充電，充電電流不斷減小至輸出電流，設(shè)輸出電容電壓波紋為110mV。電源組裝后對(duì)開(kāi)關(guān)單元測(cè)試，分析不理想波形，利用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證分析，針對(duì)波形問(wèn)題提出對(duì)策解決方案。通過(guò)仿真可了解因?qū)嶒?yàn)設(shè)備限制無(wú)法測(cè)試的部分信息。

輸出電壓測(cè)試目的是確保輸出電壓調(diào)整率在規(guī)定范圍。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，電源輸出電壓在允許范圍內(nèi)，但輸出電壓在輕載與滿(mǎn)載電壓相差較大，負(fù)載調(diào)整率不達(dá)標(biāo)。輕載時(shí)輔助繞組Vcc值為+16.4，與設(shè)計(jì)值+15相差很大，分析結(jié)果顯示，電源輸出電壓不穩(wěn)的原因是多路輸出電源交叉調(diào)整特性造成。

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)能量如何被副邊多路輸出分配根據(jù)副邊漏感決定。用于反饋的主輸出負(fù)載重，其他各路輔輸出負(fù)載調(diào)整率差。Vcc繞組接近原邊繞組，VCC繞組漏感小，滿(mǎn)載時(shí)相比其他負(fù)載很輕，為驗(yàn)證是否為漏感引起差異，用軟件進(jìn)行仿真分析。仿真輸入電壓250V，仿真輸出電壓與設(shè)計(jì)額定值一致，副邊漏感為0，輸出電壓與理論值一致。將理想變壓器原邊-副邊，磁芯-副邊耦合系數(shù)設(shè)為0.95，VCC電壓提升，二次側(cè)其他路輸出電壓下降，各路副邊繞組漏感增加，電壓下降。

仿真無(wú)法精確設(shè)置繞組耦合，未仿真出與實(shí)際測(cè)試值相同結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可知變壓器繞組耦合度與漏感均影響電源交叉調(diào)整率，造成VCC電壓與額定電壓差距較大，主要由于繞組間的不同耦合度導(dǎo)致。針對(duì)VCC電壓偏高，其他各路負(fù)載加重使VCC電壓升高，可采用線(xiàn)性穩(wěn)壓器，增加整流二極管個(gè)數(shù)等措施解決。調(diào)試時(shí)VCC繞組串聯(lián)5.6Ω功率電阻分擔(dān)電壓，滿(mǎn)載時(shí)能滿(mǎn)足工作電壓需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出大功率直流開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)主電路，及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析了硬件電路設(shè)計(jì)。高頻電壓設(shè)計(jì)中，繞組繞制等多個(gè)環(huán)節(jié)需反復(fù)設(shè)計(jì)調(diào)試以達(dá)到理想效果。直流濾波環(huán)節(jié)參數(shù)選擇非常重要，PWM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，通過(guò)并聯(lián)均流控制，按平均值均流法可得到良好均流效果。設(shè)計(jì)運(yùn)用單端反激式變換器結(jié)構(gòu)中，應(yīng)采取LD7532A芯片控制PWM控制器，因芯片LD7532A內(nèi)部消耗功率低，安全性具有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。對(duì)電源裝置損耗很小，達(dá)到極高的效率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得出高性能開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。