一種基站遠(yuǎn)端電源的設(shè)計

王展英

摘要：DC/DC變換的開關(guān)電源在工業(yè)上和民用上大量使用，其技術(shù)日趨成熟。本文介紹的是一種大功率的開關(guān)電源將DC260V～DC380V 電壓或者日常使用的AC220V電壓轉(zhuǎn)換成DC48V穩(wěn)定輸出電壓，輸出額定電流為10A，功率500W，有過壓和欠壓保護以及過流保護。并且有發(fā)光二極管來指示各種狀態(tài)。此裝置經(jīng)過多次試驗驗證了其工作可靠，輸出電壓紋波小，性能良好，適合于各種DC48V電源的供電場合。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，電壓檢測，振蕩電路，整流濾波

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

0 引言

開關(guān)電源與傳統(tǒng)的模擬變壓器相比較，由于它的震蕩頻率高，所以采用體積很小的變壓器即可獲得較大的電流輸出，在直流供電設(shè)備上廣泛應(yīng)用。本文介紹的是一款大功率的開關(guān)電源基本原理，以及為了增加穩(wěn)定性和安全性所附加的各種保護功能。特別適合于為基站設(shè)備提供電源。

1直流電源的總體設(shè)計

一個完整的開關(guān)電源首先將輸入電壓進(jìn)行濾波整流得到穩(wěn)定的直流電壓，通過振蕩電路由變壓產(chǎn)生低壓的控制電源供各控制檢測部分。然后檢測過壓和欠壓，如果輸入電源出現(xiàn)過壓或欠壓，則對應(yīng)的故障指示燈亮，不會啟動振蕩電路，沒有輸出電壓；如果輸入電壓正常，則啟動振蕩電路，在變壓器的一次側(cè)線圈產(chǎn)生相同頻率振蕩電電流，變壓器二次側(cè)有幅值不同振蕩電壓輸出，經(jīng)過整流濾波后得到穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電壓的值反饋到振蕩電路來進(jìn)行調(diào)整使輸出電壓穩(wěn)定可靠。如果輸出電流過大則由過流檢測結(jié)果反饋到振蕩電路同時過流指示燈亮起，為了保證安全，使振蕩電路停止工作，輸出過流消失后必須等待一段很長的時間后振蕩電路才開始繼續(xù)工作。

本裝置的設(shè)計要求：功率500W，輸入電壓DC260V～DC380V或AC220V，輸出電壓DC48V，紋波小于1V，輸出電流10A，效率大于90%，對地絕緣電阻大于20M歐姆。

2濾波整流

濾波電路基本上是有電容和電感組成的濾波回路，消除高次諧波個抖動電壓，電壓由INPUT端輸入進(jìn)來，并接入壓敏電阻，防止內(nèi)部電壓相對于機殼的電壓過高損害設(shè)備。通過電容與電感濾波后由二極管組成的整流設(shè)備整流輸出穩(wěn)定的直流電壓。

3 生成控制電源的振蕩電路

此振蕩電路采用高性能固定頻率電流模式控制器UC3844，該集成電路的特點是，具有振蕩器、溫度補償參考、高增益誤差放大器、電流取樣補償器和大電流圖騰柱輸出，是驅(qū)動MOSFET的理想器件。本裝置采用電流取樣的形式來連接集成電路，振蕩電路以及控制電壓的生成如圖3.1所示。集成電路UC3844和外部阻容電路連接完整后，在第6腳產(chǎn)生振蕩脈沖，以控制場效應(yīng)管Q115來形成變壓器一次側(cè)線圈的振蕩電流。內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率是由內(nèi)部產(chǎn)生5.0V的標(biāo)準(zhǔn)電壓通過電阻R141給電容C124充電，但充電電壓達(dá)到2.8V時，再由內(nèi)部放電至1.2V，然后再進(jìn)行充電，如此循環(huán)產(chǎn)生了固定頻率的內(nèi)部振蕩器，外部輸出的固定頻率的脈沖，可提供1.0A的輸出電流。通過R157上的電壓來對一次側(cè)電流取樣，反饋到UC3844的第3腳，以控制輸出脈沖。變壓器的二次側(cè)為三路匝數(shù)相同的線圈，產(chǎn)生三路同樣的大小的電壓。根據(jù)變壓器的特性一次側(cè)和二次側(cè)電壓與線圈匝數(shù)成正比，如式3.1中，N1、 N2分別為一、二次側(cè)線圈匝數(shù)，V1為一次側(cè)線圈電壓VDD，V2為二次側(cè)輸出電壓。二次側(cè)電壓幅值大小如式3.2的計算公式，經(jīng)過二極管1N4007整流和電容濾波后，輸出穩(wěn)定的控制電壓。集成電路的電源電壓VCC在起振時，可由設(shè)備電源VDD產(chǎn)生，當(dāng)起振完成后可由通過電壓變換電路采用變壓器二次側(cè)的一路電壓VCC3為振蕩電路提供電源。

（3.1）

（3.2）

圖3.1控制電壓的生成電路

4過壓欠壓檢測電路

過電壓與欠電壓檢測電路利用圖3中生成的VCC3作為控制電源為運算放大器LM2904提供電源，如圖4.1所示。用TL431生成基準(zhǔn)電壓2.5V，運算放大器LM2904正反饋連接提供兩個相互獨立的比較器。當(dāng)電壓VDD為380V時，根據(jù)電阻R128、R127和R116分壓，根據(jù)式4.1可計算輸入到LM2904的第3腳上的電壓值為2.44V。如果VDD小于380V，比較器輸出為低電平0V，二極管D117截止，第二個比較器的負(fù)端為2.5V；如果電壓VDD同時大于260V時，由電阻R130、R131和R147的分壓根據(jù)式4.3可計算比較器正端電壓大于2.5V，比較器輸出為高電平，二極管燈亮，如果電壓VDD小于260V時，則比較器輸出為低電平；如果VDD電壓大于380V時，第一個比較器輸出高電壓，D117二極管接通，第二個比較器負(fù)端為高電平，則輸出低電平。圖4中OUTPUT輸出控制振蕩器的控制電壓，高電平有效。所以無論欠壓或過壓振蕩器都無法起振，開關(guān)電源不工作。

（4.1）

（4.2）

圖4.1過電壓欠電壓檢測電路

5振蕩電路

振蕩電路中采用集成元件TL494生成控制脈沖，TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需要的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。當(dāng)圖4.1中OUTPUT端輸出高電平時，圖3.1中VCC2為振蕩電路提供控制電源。

圖5.1 振蕩電路的連接

圖5.1所示為振蕩電路的連接原理圖，當(dāng)VCC2上電后在TL494的第9腳上就有振蕩脈沖產(chǎn)生。TL494內(nèi)置了線性鋸齒波發(fā)生器，振蕩頻率可通過外部的電阻R259和電容C216由5.1式計算出振蕩器的振蕩頻率為55KHZ，輸出脈沖的振蕩頻率可由式5.2計算，在本電路中振蕩電路輸出的脈沖頻率為27.5KHZ。振蕩脈沖經(jīng)過NPN三極管由輸出端口PULSE1和PULSE2輸出脈沖，再由功率放大控制場效應(yīng)管使VDD在變壓器的一次側(cè)上生成振蕩電流?？刂齐妷河赏獠枯斎?，直接將TL494第14引腳上的參考電壓輸入到誤差比較放大器的正端。在圖5中，INPUT端為控制信號輸入端，當(dāng)本裝置的輸出電壓過大時，將輸出圖中OUTPUT和INPUT由光耦連接，這樣可直接控制振蕩電路。

（5.1）

（5.2）

6輸出電壓整流濾波和電壓檢測

6.1 輸出電壓整流濾波

在電源電壓在變壓器的一次側(cè)線圈產(chǎn)生振蕩電流后，變壓器的二次側(cè)線圈則產(chǎn)生同樣頻率的電壓，電壓大小與變壓器線圈兩側(cè)的匝數(shù)乘正比，輸出電壓的幅值大小可根據(jù)式3.2和式3.2計算。二次側(cè)電壓經(jīng)過整流濾波后得到穩(wěn)定的電壓輸出。輸出電壓通過整流濾波電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞣€(wěn)定的直流電壓，為了增大輸出電流，本裝置采用將變壓器的雙線圈并聯(lián)輸出。首先經(jīng)過四個二極管進(jìn)行全波整流，然后由電感和電容組成的電路進(jìn)行濾波。為了提高濾波效果，增大電容的容量采用多個電容并聯(lián)的形式，可得到穩(wěn)定的電壓輸出。

6.2輸出電壓檢測

此部分只有整流濾波電路還無法得到想要的電壓值，輸入電壓的變化將影響輸出電壓的大小。此時尚需要電壓檢測電路，將輸出電壓反饋到振蕩系統(tǒng)中，進(jìn)行實時調(diào)整振蕩波形。輸出電壓與由TL431組成的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，將結(jié)果通過光耦隔離反饋到變壓器一次測的振蕩電路上，調(diào)整TL494的振蕩脈沖變比。使輸出電壓保持在48V。

7試驗與結(jié)論

7.1試驗

在試驗過程中，由于采用了場效應(yīng)管作為開關(guān)管，它的輸入電阻很大，在柵極和源極之間加上很小的電壓即可將它的漏極和源極導(dǎo)通，使用方便；另外柵極和漏極之間電容很小，即使很少的靜電也會形成很高的電壓，將場效應(yīng)管擊穿。在實驗過程中為了增加可靠性在柵極和漏極之間通過連接穩(wěn)壓管來消除靜電。另外裝置功率較大，變壓器要進(jìn)行有效的散熱，本裝置通過導(dǎo)熱膏給變壓器加散熱器進(jìn)行有效散熱。在設(shè)計PCB的過程中也要注意到元器件的布局和封裝有利于散熱和焊接，以及走線的寬度。

7.2結(jié)論

此DC/DC電源已經(jīng)安裝調(diào)試完成，輸入電源的過壓欠壓保護有效，經(jīng)過多次帶載在輸出10A額定電流時進(jìn)行長時間的試驗，沒有出現(xiàn)故障。用示波器進(jìn)行電壓波形的檢測，輸出DC48V電壓穩(wěn)定，輸出紋波小于1V。通過絕緣測試，內(nèi)部與殼體的電阻大于20M。裝置效率大于90%。本裝置適合在基站中為設(shè)備提供DC48直流電源，以及其他的一些直流供電場合，接線方便；輸入電壓除了直流電壓以外，也可以采用AC220V市電作為輸入電源。

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