一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源的設(shè)計(jì)

董浩然

摘 要：本文介紹一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源的設(shè)計(jì)方案，該裝置不僅可以作為直流電壓源用于檢定，而且可以通過改動(dòng)部分電路及器件成為一個(gè)功能模塊，應(yīng)用到其他儀器的設(shè)計(jì)中去，使該裝置得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高功率因數(shù);數(shù)字可調(diào);開關(guān)電源;直流電壓源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.106

在我們目前使用的開關(guān)電源中，很多都是利用全橋電路對(duì)直流電壓進(jìn)行斬波，再通過數(shù)字器件控制各開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制生成的電壓。例如：筆記本電腦電源適配器的設(shè)計(jì)原理就是應(yīng)用開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制的。其充電的工作過程如下：220v 交流輸入電壓經(jīng)橋式整流電路整流、濾波后得到約 300v 的直流電壓，該電壓一路經(jīng)開關(guān)變壓器后加至場效應(yīng)開關(guān)管D 極，另一路經(jīng)降壓后得到的啟動(dòng)電壓給PWM芯片供電，使其內(nèi)部振蕩器起振，輸出調(diào)寬脈沖電壓（PWM） ，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，使其工作在開關(guān)狀態(tài)。在此工作過程中，要求該電壓源要穩(wěn)定，而且開關(guān)電路的設(shè)計(jì)要達(dá)到要求。

1 硬件設(shè)計(jì)

（1）隨著電子器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的功率因數(shù)校正芯片、BUCK降壓芯片、光耦、數(shù)字定時(shí)計(jì)數(shù)芯片和直流電壓源的制作技術(shù)都有了很大的提高，這樣就給文中一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)良的知識(shí)儲(chǔ)備與硬件條件。下面介紹由UCC28019、XD308H、線性光耦EL305X、OP07和依靠555定時(shí)器進(jìn)行PWM控制輸出設(shè)計(jì)而成的一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源。其原理框圖如圖1所示：

該裝置的PFC-boost部分選用數(shù)字芯片UCC28019，該芯片無需進(jìn)行編程，由于其功率因數(shù)校正能力較強(qiáng)，所以選用該器件不僅滿足高功率因數(shù)電源的設(shè)計(jì)需要，還簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。由于該電壓源設(shè)計(jì)方案的要求是數(shù)字型，故而減少了在模擬器件上不必要的功率損耗。該設(shè)計(jì)方案中光耦隔離傳壓部分選用國產(chǎn)的線性光耦EL305X，其控制芯片選用于1971年由西格尼蒂克公司推出的555定時(shí)器，由于其易用性、低廉的價(jià)格和良好的可靠性，直至今日仍被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)中。UCC28019芯片、光耦EL305X及555定時(shí)器的電源電壓均由芯片XD308H及其外圍電路經(jīng)過降壓得到。由于一些芯片的電源特殊性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有時(shí)需要利用OP07進(jìn)行電流消耗。

（2）裝置方案的工作過程。該裝置方案的工作過程如下：220V交流市電經(jīng)過整流電路輸出約為400V的直流電壓，再將生成的400V電壓作為XD308H及UCC28019的3、4腳的電壓輸入，XD308H及其外圍電路將400V電壓轉(zhuǎn)換為低壓12V作為UCC28019芯片及555定時(shí)器的電源輸入，UCC28019及其外圍電路部分的輸出電壓為400V，其輸出端連接一電壓互感器，對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。其中光耦EL305X的隔離端與400V直流電壓相連，通過調(diào)節(jié)555定時(shí)器引腳上串聯(lián)的電容和電阻的值改變?cè)撔酒捌渫鈬娐份敵龇讲ǖ恼伎毡葟亩刂乒怦畹耐〝?，進(jìn)而對(duì)整個(gè)電路的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）在硬件電路設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)應(yīng)注意的問題：

1）整流部分的輸入必須并聯(lián)一適合的壓敏電阻作為電路的過壓保護(hù)，除此之外還要串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲用來抑制不正常的輸入電流，對(duì)可能的尖鋒電壓起到雙重保護(hù)。

2）整流部分的整流橋要選用快速二極管，解決普通二極管在開關(guān)過程中的開關(guān)延時(shí)以及對(duì)電路造成的諧波干擾，進(jìn)一步提高該電壓源設(shè)計(jì)方案的功率因數(shù)。

所選快速二極管*RU2構(gòu)成的整流橋放大倍數(shù)為1.818，耐壓600V，滿足實(shí)際電路需求。電路平均電流約為0.5A。相應(yīng)計(jì)算如下：

400v÷220v≈1.818

220√2 v×1.5=466.690v<600v

0.5A×1.5=0.75A

3）BUCK芯片選用XD308H，其外圍電路簡單、BOM成本低（外圍元件數(shù)目極少：無需變壓器、無需光耦），使生產(chǎn)制作的電源體積較小、無音頻噪音、損耗小、發(fā)熱低。

4）對(duì)于強(qiáng)電的電壓變換，電網(wǎng)電壓和變換后的電壓都可能會(huì)對(duì)電路帶來干擾，本設(shè)計(jì)方案選用工作在CCM模式下的PFC芯片進(jìn)行功率因數(shù)校正。

5）根據(jù)筆者的使用經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)UCC28019的操作中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

①注意VINS腳的分壓電阻。

②若印刷板空間許可，可在UCC28019的SENSE和VINS腳與需要變換的電壓之間加入光電隔離。這樣雖然增加了元器件，使電路的復(fù)雜性增加，但可使UCC28019的工作更加穩(wěn)定與安全。

③在滿足所有技術(shù)要求的前提下，應(yīng)盡量降低電路的復(fù)雜性提高安全性，使電路更加穩(wěn)定與安全。同時(shí)印刷板應(yīng)采取良好的抗干擾措施，在電路紋波或其他干擾比較嚴(yán)重時(shí)，要注意檢查電路的各個(gè)部分，比如UCC28019的VINS腳的分壓電阻，查找官網(wǎng)上芯片的設(shè)計(jì)excel表檢查電路參數(shù)設(shè)置，以保證電路的可靠運(yùn)行。

④由于UCC28019參與的PFC-boost部分使用了數(shù)字地和模擬地，則模擬地和數(shù)字地應(yīng)單點(diǎn)接地，避免地線引入干擾。

2 技術(shù)指標(biāo)

為了考察該裝置的穩(wěn)定性，將電路的電源輸入接入220V交流市電，在光耦滿占空比時(shí)，該電源應(yīng)有的輸出為400V，由于電路損失，其最大輸出實(shí)際應(yīng)在400V附近。

3 結(jié)束語

該裝置的設(shè)計(jì)方案不僅可以作為直流電壓源直接使用，而且可通過改動(dòng)部分電路，使之成為一個(gè)功能模塊應(yīng)用到其他儀器電路中。

參考文獻(xiàn)：

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