基于共交流母線的二次電源設計

【摘要】在脈沖式半導體泵浦激光電源的設計中，設計了多路二次輔助電源。采用半橋式變換器實現(xiàn)DC-AC的交流母線，使用多路變換器將交流功率母線電壓進行隔離變換，輸出多路相互獨立的交流電壓，AC-DC輸出端可通過改變輸出電源的內(nèi)阻，實現(xiàn)濾波儲能電容的充電時間有所區(qū)別，從而實現(xiàn)多路二次電源的上電時序不同。

【關鍵詞】半橋式變換器；共交流母線；上電時序

1.引言

輔助電源廣泛應用于各種數(shù)字、模擬綜合控制系統(tǒng)中。隨著控制系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化，許多控制系統(tǒng)往往需要多路隔離型輔助供電，而其對輔助電源的質(zhì)量（變換頻率、上電、斷電時序等）有著更高的要求。然而目前廣泛作為多路輔助電源的開關電源模塊有其天生的缺點：使用多個開關電源模塊，各自的控制環(huán)路導致了多種開關噪聲，影響系統(tǒng)的電磁兼容性和濾波器的設計；多個電源模塊很難保障在上電/斷電時間上的先后關系，對某些數(shù)字控制系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來影響；使用多路控制也造成了資源上的浪費，且電路體積較大。

由于激光電源的設計中有很多的控制單元，比如高壓電路、驅(qū)動電路、采樣電路及軟件控制系統(tǒng)等，這些功能單元都需要電氣隔離。出于上述考慮，本設計采用共交流母線的供電方案，集中體現(xiàn)在一組PWM交流母線，遵循“誰用誰取”的原則，實現(xiàn)了高供電質(zhì)量的多路輔助二次電源輸出。實驗證明，本電源可在寬溫度范圍-55℃～+70℃內(nèi)穩(wěn)定輸出。

2.共用交流母線設計

DC-AC電路采用半橋拓撲的逆變電路，如圖1所示。將28V的直流供電V_bus+轉(zhuǎn)換成脈沖交流電壓。通過PWM控制電路為逆變電路提供控制驅(qū)動信號。同時PWM控制電路采集輸入電壓，形成前饋作用，減小電網(wǎng)電壓波動造成的影響，保障逆變電路輸出恒定占空比的脈沖交流電壓。

PWM控制電路包括PWM控制芯片和驅(qū)動變壓器，脈寬調(diào)制器采用1525控制芯片，驅(qū)動變壓器設計為一級原邊和兩級副邊。1525的兩個PWM輸出端輸入到驅(qū)動變壓器原邊，兩級副邊輸出互補的脈沖驅(qū)動信號，用來驅(qū)動逆變電路中的兩個MOSFET交替導通。此種變換方式為比較經(jīng)典的半橋拓撲，調(diào)節(jié)方便，可靠性高。輸出交流的脈沖頻率和占空比等特性可通過R16和C8的參數(shù)進行調(diào)整，本設計中去R16為10歐姆，C8為1000pF，在U1的11管腳測試工作頻率為63kHz左右，占空比約為50%。

變壓器T1作為電流互感器的作用，本設計選取鐵氧體磁芯，匝數(shù)比為1：100的參數(shù)進行繞制，根據(jù)負載功率的變化，可適當調(diào)整電流互感器的參數(shù)。當負載端出現(xiàn)某種情況而導致電流超過設定值時，1525的10管腳保護功能啟動，PWM停止輸出，從而實現(xiàn)保護功能。

3.AC-DC電路設計

多路變壓器的原邊設計為單級繞組，副邊為多級繞組，根據(jù)輔助電源實際需求，調(diào)整副邊繞組匝數(shù)或者采用多個單獨的輸出變壓器。變壓器輸出端經(jīng)過整流濾波，實現(xiàn)AC-DC變換，如圖2所示。

3.1 多路二次電源輸出

多路整流濾波及穩(wěn)壓電路由快速恢復整流二極管、集成穩(wěn)壓器及濾波電感器和電容器等組成，以圖中的AUX_12V為例，變壓器T3輸出交流脈沖后，經(jīng)過整流二極管D3和電感器L1后，形成具有脈動屬性的直流電壓，經(jīng)過濾波電容器和穩(wěn)壓器7812后，輸出恒定的12V供電電壓。

3.2 時序調(diào)整電路

時序調(diào)整電路除了基本的整流濾波外，在電路中增加了調(diào)整電阻器，如圖所示，以TVCC_-12V為例，通過調(diào)整電阻器R19和R20的阻值大小改變，使直流電壓的輸出內(nèi)阻發(fā)生變化，對后級的濾波儲能電容器的充電時間產(chǎn)生影響，即可實現(xiàn)對多路輸出的上電時序控制。

當上電一致性要求較高時，只需將調(diào)整電阻器R19短接，將R20開路，就能與其他輸出電源的時序保證一致。

4.仿真分析

利用Multisim 10軟件[3]對時序調(diào)整電路進行仿真，以TVCC_-12V和AUX_12V為例，仿真結果如圖3所示。其中，圖中上方的電壓輸出波形為TVCC_-12V，下方為AUX_12V。

由仿真結果可以看出，TVCC_-12V的輸出取得了設計所需要的結果，上電時序受RC充電時間調(diào)制，對上電時間進行了一定的延遲；相反，當電路斷開時，TVCC_-12V緩慢掉電，對高壓電路的啟動和關斷起到保護作用。

5.結語

激光電源中具有明顯的強弱電混合設計特點，如果控制不當，在強脈沖放電過程中某個時刻存在不受控的現(xiàn)象，導致產(chǎn)品和人眼受傷的可能，本文設計了±12V、5V，15V等多路輸出，確?？刂齐娐返臅r序始終受控。

由于共用交流母線，各路電源的開關頻率一致，使得整個電源系統(tǒng)的交流噪聲也相似。因此，可以簡化輸入濾波器的設計，也提高了輔助供電電源的電磁兼容性，從而提高了供電質(zhì)量。本設計具有良好的高頻隔離能力，體積小，輸出可擴展，實現(xiàn)了寬工作溫度范圍-55℃～+70℃內(nèi)穩(wěn)定輸出，具有較好的通用性使用價值。

參考文獻

[1]Keith Billings.開關電源手冊[M].人民郵電出版社，2006：224-228.

[2]趙修科.實用電源技術手冊磁性元器件分冊[M].遼寧科技出版社，2002：129-135.

[3]王連英.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析 修訂版[M].電子工業(yè)出版社，2011（6）.