基于節(jié)能變頻穩(wěn)壓電源的研究

曾慶豐，張志純

（1.貴州大學(xué) 理學(xué)院，貴陽550025；2.湘潭大學(xué) 能源工程學(xué)院，湘潭411100；3.湘潭大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭411100）

0 引 言

脈寬調(diào)制變頻變壓技術(shù)，從上世紀(jì)70年代開始就引起了人們的高度重視，到80年代后期，美國、日本、德國、英國等發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的VVVF變頻器就投入市場.電力電子器件從SCR、GTO、BJT、MOSFET、SIT、SITH、MGT、MCT到IGBT、HVIGBTD的更新與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展促進(jìn)了變頻技術(shù)的不斷發(fā)展［1－4］.80年代以來，在中國也得到了快速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用［5］.主要用于交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，既具有卓越的調(diào)速性能，還有顯著的節(jié)能作用，是當(dāng)前企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代最理想的調(diào)速裝置.但是，作為一種技術(shù)含量高、難度大的高新技術(shù)產(chǎn)品，其開發(fā)與生產(chǎn)的難度在于電力電子器件的耐壓值不能與高壓供電技術(shù)相匹配，以至于大功率變頻器技術(shù)難度大、制造成本高；尤其在高性能的高壓或低壓大功率變頻器領(lǐng)域，尚有許多技術(shù)難點(diǎn)有待解決.目前，出現(xiàn)的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)方案（如高－低－高式、高－高式等）仍在發(fā)展之中［6］.

在廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、顯示器等設(shè)備中的新型低壓變頻器雖有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U0范圍在30～36V時(shí)，最大輸出電流僅2A左右、電壓調(diào)整率Su＜0.2%、DC－DC變換效率在80%左右［7］，存在效率較低，輸出電流較小的問題.本文在上述低壓變頻器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化其性能.

1 設(shè)計(jì)方案

開關(guān)電源的工作原理是通過改變開關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié).主要有三種調(diào)制方式：脈沖寬度調(diào)制（Pulse－Width Modulation，PWM）、脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM）和混合調(diào)制.PFM通過調(diào)制信號(hào)的頻率隨輸入信號(hào)幅值而變化，信號(hào)的占空比保持不變，由于調(diào)制信號(hào)通常為頻率變化的方波信號(hào)，PFM也叫做方波頻率調(diào)制.PWM是指信號(hào)周期恒定，通過改變信號(hào)脈沖寬度實(shí)現(xiàn)改變占空比的方式，因?yàn)樾盘?hào)周期恒定，濾波電路的設(shè)計(jì)相對(duì)容易，輸出信號(hào)比較穩(wěn)定，為本文的調(diào)制方式.開關(guān)穩(wěn)壓電源的主回路框圖如圖1所示，由在電路的前段由隔離變壓器產(chǎn)生一個(gè)18V的交流，經(jīng)過整流濾波輸出一個(gè)波形接近直流的直流輸出，最后經(jīng)過一個(gè)DC－DC變換，通過脈沖寬度調(diào)制電路的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)開關(guān)電源管的導(dǎo)通和截止進(jìn)行控制，輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓源.

圖1 主回路原理框圖

LTC4414在電路設(shè)計(jì)過程中主要用于控制電源的通、斷及自動(dòng)切換，也可用作高端功率開關(guān).具有工作電壓范圍寬為3.5～36V的特點(diǎn)，電路簡單，外圍元器件少，靜態(tài)電流小典型值為30μA，能驅(qū)動(dòng)大電流P溝道功率MOS場效管，輸出電流具有過電壓，欠電壓和過電流的保護(hù)功能.因?yàn)橐陨现饕獌?yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)電路采用LTC4414芯片為控制核心.采樣電路原理圖如圖2所示，對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源分別進(jìn)行電流和電壓采樣，并通過LTC4414芯片控制PWM產(chǎn)生電路，通過控制驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到穩(wěn)定控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓.輸出／輸入模塊通過鍵盤可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，也可以通過顯示裝置實(shí)現(xiàn)輸出電壓和輸出電流的顯示.

圖2中的驅(qū)動(dòng)電路也是通過LTC4414芯片來控制，主要有電壓型和電流型兩種控制，電壓型控制只有一個(gè)電壓反饋閉環(huán)，調(diào)試相對(duì)電流型比較容易，對(duì)外接輸出負(fù)載電阻的變化具有很好的響應(yīng)調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路采用電壓型控制方案.

圖2 控制回路工作原理圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)電路的主要要求是提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作效率，因此電路設(shè)計(jì)采用輸出功率較大、驅(qū)動(dòng)電路簡單、效率高、帶隔離變壓器的推挽式DC－DC變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示.主要由兩個(gè)單端正激開關(guān)電源電路疊加而成，開關(guān)管選用低能耗高阻抗的場效應(yīng)管，設(shè)計(jì)的電路可以使電路的輸出電壓加倍，與單端型開關(guān)電源相比較，能提高電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力，使采樣輸出信號(hào)更加穩(wěn)定可靠，能提高電路的性能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

圖3 帶隔離變壓器的推挽式DC－DC變化器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和電壓的控制

脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)采用TL494集成電路，由于開關(guān)電源集成控制器TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，可通過改變外接電阻Rt和電容Ct來控制盒調(diào)節(jié)振蕩頻率，產(chǎn)生震蕩信號(hào)的輸出頻率表達(dá)式如下

式（1）中的Rt和Ct分別為外接電阻和電容，本設(shè)計(jì)電路的實(shí)驗(yàn)取Ct＝1000PF，Rt＝100K，這樣設(shè)計(jì)電路的振蕩頻率為10kHz.

開關(guān)電源集成控制器TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，當(dāng)鋸齒波電壓大于控制信號(hào)（由3腳輸入），則9腳輸出高電平、10腳輸出低電平；相反，則9腳為低電平、10腳為高電平.增大控制信號(hào)，輸出信號(hào)的脈沖寬度將減小.當(dāng)3腳輸入的輸入的控制信號(hào)電平高于鋸齒波輸出電壓時(shí)，芯片TL494的輸出被封鎖，從而起到保護(hù)電路的作用.

當(dāng)反饋信號(hào)大于設(shè)定電壓時(shí)，輸出信號(hào)的脈沖寬度也將減小，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間也將減小，輸出信號(hào)的輸出電壓將減小，這是設(shè)計(jì)電路需要克服的設(shè)計(jì)缺陷，通過利用集成電路IR2110增大電路的驅(qū)動(dòng)能力，達(dá)到使開關(guān)管正常導(dǎo)通和切斷，滿足單個(gè)開關(guān)的開關(guān)頻率和振蕩器輸出的信號(hào)頻率一致，達(dá)到變壓器輸出端的開關(guān)頻率為20kHz，輸出信號(hào)的占空比隨著輸入電壓的改變而一致變化.

2.3 保護(hù)電路、顯示電路和采樣保護(hù)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電路通過運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)放大，當(dāng)運(yùn)放的同相輸入端過流檢測信號(hào)比反向輸入端參考電壓高時(shí)，輸出高電平，將TL494的輸出鎖死，達(dá)到過電流保護(hù).

設(shè)計(jì)電路的顯示單元根據(jù)單片機(jī)LTC4414為核心的要求，鍵盤采用通用的 數(shù)字鍵盤，用于輸入給定電壓值，電壓設(shè)定為整數(shù)值.顯示電路采用LCD顯示，實(shí)驗(yàn)采用LCD12864顯示電壓電流，能夠精確顯示輸出的電壓與電流值.

采樣與轉(zhuǎn)換電路采用12位串口ADTLC2543，電流信號(hào)的采集采用霍爾式電流傳感器，將采集到的電流信號(hào)傳給AD／DA裝換電路.

3 測試數(shù)據(jù)

根據(jù)需要設(shè)計(jì)單片機(jī)LTC4414的軟件，是設(shè)計(jì)電路哪能按預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)運(yùn)行.通過本電路的設(shè)計(jì)及制作、調(diào)測后，主要器件的測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示.測試得到的數(shù)據(jù)顯示出具有很好的開關(guān)穩(wěn)壓電源的特性，輸出的電壓穩(wěn)定達(dá)到要求，輸出的功率較大，體現(xiàn)出很大的帶負(fù)載能力，輸出功率為200W.輸出功率與輸入功率的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)效率提高了30%.

表1 TL494芯片各腳在路電阻、電壓數(shù)據(jù)表

表2 主電路主要晶體管的各腳工作電壓

4 結(jié) 論

從測試數(shù)據(jù)分析表明本設(shè)計(jì)是可控、變頻、新型、節(jié)能開關(guān)穩(wěn)壓電源.該電源除具有傳統(tǒng)的開關(guān)電源穩(wěn)定性好、效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn).有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力200W，能滿足精密電子產(chǎn)品要求的速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高、帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn).設(shè)計(jì)的電路經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試實(shí)現(xiàn)主、次電源輸出電壓的穩(wěn)定，可最大帶載200W、且節(jié)能30%，具有開關(guān)穩(wěn)壓電源的過流與過壓保護(hù)功能.

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