電纜充氣設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆靜靜， 趙艷雷， 王傳曉， 魏忠彩, 曹丹丹

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

電纜充氣是將空氣經(jīng)干燥器除濕后形成高度干燥的空氣，通過(guò)設(shè)備將干燥的氣體介入電纜，使電纜保持一定的正氣壓，一旦電纜有空隙和漏洞,能使干燥氣體從縫隙中頂住濕氣或水分的侵入，以保持電纜干燥度，從而保證通信的傳輸質(zhì)量.流量計(jì)是讀氣體每分鐘能通過(guò)多少流量的設(shè)備，而一般電纜有多股，本設(shè)計(jì)使用的開(kāi)關(guān)電源要作用于10路流量計(jì),因此要求其驅(qū)動(dòng)功率大.

一般的成品開(kāi)關(guān)電源一是散熱效果不好，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源本身發(fā)熱，影響使用壽命；二是功率比較小，驅(qū)動(dòng)10路流量計(jì)有困難.本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源具有功率大、散熱好的特點(diǎn).由于反激式開(kāi)關(guān)電源具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)多路輸出,儲(chǔ)能電感和高頻變壓器一體,無(wú)需額外電感，體積小、成本低，轉(zhuǎn)換效率高，輸入輸出電氣隔離，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選用反激式開(kāi)關(guān)電源.圖1是電纜充氣的工作流程簡(jiǎn)圖.

圖1 電纜充氣的工作流程簡(jiǎn)圖

電纜充氣系統(tǒng)工作電源技術(shù)參數(shù)：輸入電壓220V，范圍220±20%；輸入頻率50Hz；輸出電壓電流5V/1A、12V/1A、-12V/1A供給每路流量計(jì)；工作溫度-35～80℃；輸出電壓精度≤1%.

本文設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示[1].

圖2 反激式開(kāi)關(guān)電源的整體架構(gòu)

主要包括：前級(jí)保護(hù)電路、EMI濾波電路、整流電路、RCD鉗位電路、反激變換電路、輸出濾波電路、反饋電路、控制電路等[1].下面以開(kāi)關(guān)電源各個(gè)部分展開(kāi)計(jì)算.

1 反激式開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理

圖3是單端反激式變換器的原理結(jié)構(gòu)圖，開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí),變壓器儲(chǔ)存能量,此時(shí)負(fù)載電流由輸出濾波電容C提供;開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí),變壓器將存儲(chǔ)的能量送到負(fù)載及輸出濾波電容,來(lái)補(bǔ)償單獨(dú)提供負(fù)載電流時(shí)消耗的能量.通過(guò)改變輸出波形占空比就可控制輸出電壓.T關(guān)斷后的電壓為

(1)

只考慮電路工作在電流連續(xù)模式下時(shí)

(2)

峰值電流模式原理框圖如圖4所示.

圖3 反激式開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理圖

圖4 峰值電流模式原理框圖

PWM控制器及外電路構(gòu)成雙環(huán)反饋控制系統(tǒng).控制原理:給定電壓Ui與從輸出反饋回的電壓Ur進(jìn)行比較,得到的電壓誤差Ue與經(jīng)電阻采樣反映電流變化的信號(hào)Us進(jìn)行比較,輸出一個(gè)可調(diào)節(jié)占空比的PWM脈沖信號(hào),從而可使輸出電壓信號(hào)保持恒定.

2 反激式高頻變壓器設(shè)計(jì)

變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)電源裝置的性能至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)要求有：一、二次繞組電壓的變比應(yīng)滿足要求值;當(dāng)輸入電壓及占空比最大時(shí)，變壓器磁芯不能出現(xiàn)飽和;輸出功率最大時(shí)，變壓器溫升應(yīng)在規(guī)范要求之內(nèi);應(yīng)盡量使總損耗最低，獲得較高效率;一、二次側(cè)漏感、分布電容應(yīng)限制在最小值[2].高頻變壓器設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)步驟：

2.1 輸出和輸入功率計(jì)算

總輸出功率

Po=5×1+12×1+12×1=29W

(3)

總輸入功率

(4)

由于在設(shè)計(jì)時(shí)需要留出20%～50%的裕量,取為30%.可計(jì)算得輸出功率為37.7W,輸入功率為47.12W.

2.2 最小和最大直流輸入電壓及電流計(jì)算

UAC(min)、UAC(max)分別是交流輸入最小和最大電壓值[1]，分別取220-20%、220+20%.

整流濾波后最小輸入電壓

(5)

整流濾波后最大輸入電壓

(6)

代入可得Uin(min)=208.86V，Uin(max)=373.3V.

(7)

(8)

2.3 最大占空比計(jì)算

最大占空比

(9)

VOR取110V，VDS為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降取為10V[1]，可得Dmax=0.36.

2.4 峰值電流和平均電流計(jì)算

峰值電流

(10)

平均電流

(11)

KRP為波形系數(shù)，取1代入后得到IPK=0.83A，IAVG=0.19A.

2.5 磁芯選擇

選擇磁芯時(shí)，要根據(jù)功率選擇磁芯大小;磁芯形狀要結(jié)合整機(jī)板的布局;磁芯材質(zhì)根據(jù)環(huán)境、開(kāi)關(guān)頻率選擇;磁芯形狀要考慮變壓器加工工藝要求;還要考慮材料成本.本論文選擇AP法，經(jīng)計(jì)算查閱技術(shù)手冊(cè)，磁芯型號(hào)選區(qū)EE-28，磁芯有效面積Ae=12.1，材質(zhì)選用PC40型.

2.6 高頻變壓器初級(jí)電感

(12)

將前文已經(jīng)確定的數(shù)值代入可得到Lp=1.812mH.

2.7 氣隙計(jì)算

氣隙存在可以減少磁芯里直流成分所產(chǎn)生的磁通.計(jì)算如下：

(13)

式中μ0為氣隙磁導(dǎo)率，代入可得到lg=0.33mm.

2.8 初級(jí)繞組和次級(jí)繞組匝數(shù)

初級(jí)繞組使用雙層絕緣線,還要考慮導(dǎo)線中的趨膚效應(yīng)：

(14)

BW=0.25T，ton=0.36/50×10-3=7.2μs，代入上式可得到NP=78匝.

初級(jí)繞組和次級(jí)繞組匝比[3]

(15)

當(dāng)Uo=-12V時(shí)，有n1=0.187，Ns1=0.187×78=14.59，取15匝.

當(dāng)Uo=12V時(shí)，有n2=0.187，Ns2=0.187×78=14.59，取15匝.

當(dāng)Uo=5V時(shí)，有n3=0.097，Ns3=0.097×78=7.57，取8匝.

3 反激式開(kāi)關(guān)電源主電路中其它元件參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)

3.1 EMI濾波器設(shè)計(jì)

電磁干擾濾波器(EMI)是低通濾波器，只允許正常工作頻率信號(hào)進(jìn)入設(shè)備，而對(duì)高頻干擾信號(hào)有較大阻礙作用，能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，其基本電路如圖5所示.

圖5 電磁干擾濾波器的基本電路

電路中包括共模扼流圈L1、濾波電容C1、C2、CY1、CY2 .L1對(duì)串模干擾不起作用，但對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗.C1、C2主要用來(lái)濾除串模干擾.CY1、CY2跨接在輸出端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效抑制共模干擾.

共模電感計(jì)算：

(16)

設(shè)截止頻率f0=50kH，選定配套電容C=C3=C4=100pF，代入上式得到L1=10mH.

輸入濾波電容的容量計(jì)算公式為[4]

(17)

式中：tC為整流橋的響應(yīng)時(shí)間，取為0.3ms；UAC(min)為輸入交流電壓最小值；Uin(min)為整流后最小直流電壓.代入數(shù)值后可得到Cin=30μF.

3.2 整流橋設(shè)計(jì)

Id=(0.6～0.7)I1RMS=0.174～0.203A

(18)

出于安全考慮，本設(shè)計(jì)采用2W/10型整流橋GBL205.

3.3 緩沖電路設(shè)計(jì)

MOS管由導(dǎo)通到截止時(shí)，會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓，可能損壞MOS或造成MOS硬開(kāi)通，產(chǎn)生不良后果，為了電路安全可靠運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用RCD

吸收回路，如圖6所示.

圖6 緩沖吸收電路

設(shè)鉗位電容最大電壓UC(max)，0.9是降額使用系數(shù)[1].

UC(max)=0.9UDS(max)-Uin(max)

(19)

UDS(max)=

Uin(max)+(1.4×1.5×VOR)+20

(20)

代入數(shù)據(jù)可得到UDS(max)=624.3V,UC(max)=188.57V.

鉗位電阻RC[1]：

(21)

式中：lK為變壓器漏抗，取62.4uH；fs為電源頻率，代入數(shù)值得到RC≈33kΩ.

(22)

取鉗位電壓5%～10%為脈動(dòng)電壓ΔUC(max),代入得到CC=6nF，電容耐壓值為800V.

3.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

輸入端保護(hù)電路是為了整個(gè)電源的安全設(shè)計(jì)的(如圖5所示).其中FU是熔斷絲，RT1是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，熔斷絲采用 4A/250V熔斷管，負(fù)溫度熱敏電阻選用 NTC10D-11，其中熔斷絲起過(guò)流保護(hù)作用，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器可進(jìn)行通電瞬間的過(guò)流保護(hù).

4 開(kāi)關(guān)電源控制部分設(shè)計(jì)

選用UC3843為控制芯片.UC3843是新型電流型脈寬調(diào)制集成電路，可產(chǎn)生脈寬可調(diào)頻率固定的脈沖輸出，推動(dòng)開(kāi)關(guān)功率管導(dǎo)通和截止，電源兼反饋繞組的控制電壓輸入U(xiǎn)C3843的誤差放大器，與基準(zhǔn)電壓比較產(chǎn)生控制電壓，控制輸出脈寬的占空比，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的.

4.1 功率開(kāi)關(guān)管的選擇

一般的MOSFET耐壓值滿足[5]

70%VDS>Vf+Vin max=100.8V

(23)

式中Vf為反射電壓.流過(guò)開(kāi)關(guān)管的平均電流為

(24)

綜合考慮，選用場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET-K3115B.

4.2 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖7 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

圖7是MOS驅(qū)動(dòng)原理圖,驅(qū)動(dòng)電阻R10的確定[5]：

tr=2.2R10Ciss

(25)

式中tr為MOS驅(qū)動(dòng)上升時(shí)間，Ciss為MOS柵源電容，Ciss=770pF，tr<150ns,可得到R10<88.5Ω,因UC3843最大驅(qū)動(dòng)電流為1A，滿足

(26)

因此選擇R10=20Ω.

4.3 啟動(dòng)電阻設(shè)計(jì)：

輸入欠壓鎖定電路的開(kāi)啟電壓為16V，關(guān)斷電壓為10V，僅當(dāng)V>16V時(shí)芯片才能啟動(dòng)，此時(shí)芯片工作電流僅1mA，自饋后變?yōu)?5mA.當(dāng)輸入欠壓時(shí)，功率管關(guān)斷.

本設(shè)計(jì)要求輸入的交流電壓最低176V，為了保證滿載時(shí)能在最低輸入電壓正常啟動(dòng)，一般取2倍的最低輸入電流.因UC3843的正常啟動(dòng)電流是0.3mA，可以得到[6]

(27)

(28)

據(jù)此設(shè)計(jì)采用3個(gè)串聯(lián)的100kΩ電阻作為UC3843的啟動(dòng)電阻.

4.4 反饋電路設(shè)計(jì)

電路中R11的取值要考慮參考輸入端電流，查手冊(cè)此電流為1.5μA,為避免噪聲的影響,通常取流過(guò)電阻R11的電流為參考輸入端電流的100倍以上[7].因此

(29)

取R11=20kΩ.

D4的工作電流在1～100 mA之間,當(dāng)R7的電流接近零時(shí),必須保證電流至少為1 mA ,所以

(30)

發(fā)光二極管正向壓降Uf取1.2V.

反饋調(diào)節(jié)電路由10kΩ電阻和5kΩ的可調(diào)電阻組成，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻改變占空比，使輸出電壓接近所需設(shè)定值.

4.5 開(kāi)關(guān)頻率選擇

對(duì)于UC3843，其頻率計(jì)算公式為[8]

(31)

取R14=10k，C32=4500pF，得到本電源開(kāi)關(guān)頻率約為50kHz，UC3843工作頻率可達(dá)500kHz.

4.6 過(guò)流保護(hù)電路

R5為過(guò)流檢測(cè)電阻，初級(jí)線圈中的電流在R5上的電壓加到過(guò)流檢測(cè)比較器的同相端，與反相端的誤差電壓比較，進(jìn)而控制輸出脈沖的占空比.只要VR5達(dá)到1V，比較器就翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，將PWM鎖存器置零，PWM關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù).

圖8為上電時(shí)UC3843的6腳Drv端輸出驅(qū)動(dòng)電壓和3腳Is端電流檢測(cè)波形,仿真結(jié)果表明符合設(shè)定的性能指標(biāo).開(kāi)關(guān)電源圖如圖9所示.

圖8 Drv和IS波形

圖9 開(kāi)關(guān)電源原理圖

開(kāi)關(guān)電源通過(guò)26引腳的連接器向10路流量計(jì)供電，其中+5V給單片機(jī)3TM32F-103CBT6供電，±12V給流量計(jì)電路供電.

5 測(cè)試結(jié)果

圖10為空載時(shí)的輸出電壓測(cè)試波形，分別為+5V、+12V、-12V電壓波形.

空載時(shí)，5V輸出為4.9712V，12V輸出為11.863V，-12V輸出為-11.883V，三路輸出電壓正常穩(wěn)定，各路電壓都有較高準(zhǔn)確度，說(shuō)明選取的各參數(shù)符合要求.

圖10 空載時(shí)各路輸出電壓波形

為了驗(yàn)證開(kāi)關(guān)電源帶負(fù)載時(shí)輸出電壓仍能保持穩(wěn)定，以5V輸出為例，在5V輸出端加一合適電阻，測(cè)得電壓波形圖11所示.可看到此開(kāi)關(guān)電源在有負(fù)載的情況下輸出電壓仍能保持穩(wěn)定.

圖11 帶載時(shí)5V電壓輸出波形

經(jīng)過(guò)上機(jī)調(diào)試，此開(kāi)關(guān)電源能夠驅(qū)動(dòng)10路流量計(jì)，并使之正常工作.

6 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源高頻、高效、高功率密度、高功率因數(shù)、高可靠性的特性使它具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力.本文通過(guò)采用UC3843對(duì)電纜充氣設(shè)備用反激式開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并給出了電源設(shè)計(jì)一般流程及設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，對(duì)電源設(shè)計(jì)者具有一定的參考價(jià)值.

[1] 張維,宣榮喜.單端反激式開(kāi)關(guān)電源研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué), 2011.

[2] 李定宣,丁增敏.開(kāi)關(guān)穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].2版.北京:中國(guó)電力出版社, 2011.

[3] 王亞靜,黃允千,張如中.低成本寬電壓多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源電壓穩(wěn)定度的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電源世界,2011(9):21-25.

[4] 沙占友,王彥朋,安國(guó)臣. 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)入門與實(shí)例解析[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2009.

[5] 牛力，史永勝.多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：陜西科技大學(xué), 2012.

[6] 程磊.基于UC3843的反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江科技,2012(11):98-99.

[7] 趙同賀,劉軍.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社, 2007.

[8] 王正,朱興動(dòng),張六，等.UC3843控制多路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空計(jì)算技術(shù),2004, 34(2):88-90.