小功率高壓隔離電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/趙韶華 王妍力 雷騰飛

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中電氣設(shè)備越來(lái)越多，高壓設(shè)備擊穿空氣放電和大功率電機(jī)啟動(dòng)停止產(chǎn)生大量干擾，對(duì)供電電源也提出了新的要求。開(kāi)關(guān)電源因轉(zhuǎn)化效率高，體積小等優(yōu)勢(shì)得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)外開(kāi)關(guān)電源研究起步較早，1955年美國(guó)科學(xué)家羅耶提出了利用磁芯飽和的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器；1964年美國(guó)提出串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源，促進(jìn)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展；1988年，國(guó)外科學(xué)家提出移相全橋變換器的概念；2000年，Hiromitsu提出了帶有變壓器隔離的半橋變換器。相比而言國(guó)內(nèi)發(fā)展相對(duì)緩慢，2007年，錢荔提出了推挽全橋雙向DCDC變換器；2016年史春玉提出軟開(kāi)關(guān)推挽正激變換器。帶變壓器的隔離電源可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的電源線隔離，防止危險(xiǎn)信號(hào)的相互串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊獨(dú)立供電，防止一個(gè)模塊因受高壓放電或其它原因?qū)е碌膿p壞波及其它模塊，提高了電路的可靠性。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的變壓器隔離電源是將實(shí)驗(yàn)的輸入電源采用1:1的工頻變壓器與市電進(jìn)行隔離，這樣工作人員不論接觸哪條線都不會(huì)發(fā)生觸電的危險(xiǎn)，但是工頻變壓器體積較大。本文用SG3525為控制核心，提高隔離變壓器的工作頻率，隔離變壓器的工作頻率不再是50Hz，減小變壓器體積，采用半橋的變壓器驅(qū)動(dòng)方式，輸出經(jīng)過(guò)全橋整流與濾波，設(shè)計(jì)相關(guān)過(guò)流保護(hù)電路，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

1 系統(tǒng)組成

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2：SG3525的PWM產(chǎn)生電路

圖3：半橋驅(qū)動(dòng)及其后續(xù)電路圖

隔離電源系統(tǒng)主要包括過(guò)流保護(hù)電路、SG3525控制電路、半橋驅(qū)動(dòng)電路、整流濾波電路等部分。隔離電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。直流電源為系統(tǒng)提供直流電源9-15V，SG3525為控制核心，提供逆變所需的PWM波，隔離變壓器采用半橋驅(qū)動(dòng)，變壓器輸出經(jīng)過(guò)橋式整流電路DB207整流成直流，再經(jīng)濾波輸出，最后得到所需直流電壓。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

8～24V，內(nèi)部自帶5.1V精準(zhǔn)電壓參考源，PWM輸出頻率為100 Hz～400 kHz，適用于多種開(kāi)關(guān)電源的控制。本文設(shè)計(jì)的隔離電源采用的PWM控制方式，SG3525的PWM產(chǎn)生電路如圖2所示。隔離的電源的PWM頻率與開(kāi)關(guān)電源控制不同，不需追求高頻率，提高電源效率。SG3525的振蕩頻率由取決于5引腳CT端外接的定時(shí)電容C2，6號(hào)引腳RT端外接的定時(shí)電阻R10和放電電阻R12的大小。根據(jù)公式：

2.1 控制電路的設(shè)計(jì)

隔離電源的控制核心為美國(guó)通用公司生產(chǎn)的脈寬調(diào)制器SG3525，其工作電壓為

式中C2、R10、R12分別取值為0.1 uF、20 kΩ、43 Ω，計(jì)算出振蕩頻率為743.2 Hz。SG3525的輸出引腳OUTA和OUTB輸出的PWM波的頻率為371.6 Hz。輸出OUTB直接驅(qū)動(dòng)后續(xù)器件，OUTA通過(guò)2個(gè)PNP三極管進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，保證有足夠的死區(qū)時(shí)間。

圖4：過(guò)流保護(hù)電路

圖5：SG3525輸出PWM波形圖

圖6：隔離輸出效果圖

2.2 半橋驅(qū)動(dòng)及其后續(xù)電路的設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的變壓器驅(qū)動(dòng)方式有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式（圖3）和全橋式；其中單端反激和單端正激為單端隔離式變換器，這類變換器磁芯利用率不高；推挽式、半橋式和全橋式都是雙端隔離式變換器，磁芯利用效率較高；推挽式變換器主要應(yīng)用于低電壓大電流的工作環(huán)境中，全橋驅(qū)動(dòng)適用于大功率的工作環(huán)境。半橋驅(qū)動(dòng)主要有兩個(gè)MOS管M1、M2，兩個(gè)電容E10、E11和變壓器T1組成，其電路圖如圖4。DR1、DR2的PWM波控制MOS管M1、M2的關(guān)斷，從而控制變壓器的工作。變壓器的骨架采用EI28×12，變壓器的工作頻率為370 Hz在左右，為減少變壓器的發(fā)熱量采用0.35 mm的硅鋼片。變壓器的輸出接DB207整流橋進(jìn)行整流，經(jīng)電容E3濾波，輸出所需要的直流電源，電阻R24阻值為2kΩ，目的是減少電路開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)電壓脈沖沖擊。

3 過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

隔離電源為了保證較好的隔離效果，沒(méi)有設(shè)計(jì)輸出電壓反饋保護(hù)，為了防止后續(xù)電路的短路等危險(xiǎn)，在電路的前端設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路，具體電路圖如圖4。過(guò)流保護(hù)電路主要利用SG3525的16引腳輸出5.1V的精準(zhǔn)電壓和10號(hào)關(guān)斷引腳進(jìn)行設(shè)計(jì)。在直流電源主電路上設(shè)置50毫歐的錳銅采樣電阻，用來(lái)測(cè)量流入隔離電源的總電流，再使用LM358放大器 設(shè)計(jì)100倍的差動(dòng)放大器，最終將錳銅電阻上的電壓進(jìn)行放大。假設(shè)流過(guò)錳銅的電流為I，則經(jīng)過(guò)放大后U1輸出電壓為5I。U1的輸出作為U2電壓比較器的輸入；U2的輸入基準(zhǔn)電壓采用電阻分壓的方式，用2kΩ和100kΩ的電阻將SG3525的16號(hào)引腳輸出的5.1V精準(zhǔn)電壓源進(jìn)行分壓得到5V的電壓比較器的輸入基準(zhǔn)。這樣當(dāng)電流I大于1A時(shí)，U2輸出高電平，電流I小于1A時(shí)，U2輸出低電平。U2的輸出連接到S3525的10號(hào)引腳，當(dāng)10號(hào)引腳為高電平時(shí)SG3525不工作，電源不工作，10號(hào)引腳接低電平時(shí)SG3525正常工作。這樣就能保證隔離電源輸入電流不能超過(guò)1A，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隔離電源經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電容C2取值為0.1 uF，電阻R10取值為20kΩ，電阻R12取值為43Ω，SG3525輸出PWM波為371.6Hz，其示波器監(jiān)測(cè)SG2525輸出PWM波形如圖5,因電阻電容誤差圖5與理論結(jié)果有0.2Hz誤差。隔離電源后接高壓放電設(shè)備時(shí)，示波器監(jiān)測(cè)其輸出與輸入隔離效果如圖6。圖6中黃色線為隔離電源的輸出，其波形由于負(fù)載的干擾，出現(xiàn)較大的波動(dòng)；圖6中藍(lán)線為隔離電源的輸入，對(duì)比得出，負(fù)載的干擾被隔離電源隔絕，沒(méi)有反作用到隔離電源的輸入端，實(shí)現(xiàn)隔離電源的目的。

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于SG3525的小功率隔離電源的設(shè)計(jì)，在保留隔離效果的同時(shí)減小了常用工頻隔離電源的體積。該方案利用SG3525產(chǎn)生PWM波，半橋驅(qū)動(dòng)隔離變壓器，通過(guò)自身關(guān)斷引腳設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)輸出功率5W，該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，原理清晰，已經(jīng)成功應(yīng)用在高壓放電設(shè)備中，并獲得良好的效果。