分散控制系統(tǒng)小功率電源模塊的低成本設(shè)計(jì)

牛其磊， 張衛(wèi)東

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240；2.上海自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200401)

0 引 言

分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)具有自動(dòng)控制和智能調(diào)節(jié)等功能。但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對于電源系統(tǒng)要求也更為嚴(yán)苛。在日益激烈的競爭環(huán)境下，DCS廠商不僅要求電源能適應(yīng)嚴(yán)苛的工況，更追求電源系統(tǒng)的高效率、高可靠性與低成本[1]。目前市面上銷售的模塊化的電源不僅價(jià)格昂貴，而且難以同時(shí)滿足分散控制系統(tǒng)多模塊不同的供電需求，往往需要設(shè)計(jì)多個(gè)電源模塊拓?fù)洳拍軐?shí)現(xiàn)功能，在增加模塊復(fù)雜度的同時(shí)也降低了模塊的可靠性，一旦損壞，往往意味著需要整套更換。本文基于UC3843設(shè)計(jì)了非對稱式電壓輸出供電系統(tǒng)，效率高達(dá)82.29%，具有較小的紋波，同時(shí)降低了成本，可以同時(shí)滿足DCS各個(gè)功能模塊的要求。

1 電源設(shè)計(jì)需求分析

分散控制系統(tǒng)一般使用24 V±10%電源模塊作為系統(tǒng)輸入供電電源，而其中不同的功能模塊則對應(yīng)著不同的電源需求。由于DCS各功能模塊功耗一般不大，因此采用小功率電源模塊即可滿足需求。表1為分散控制系統(tǒng)電源需求分析表。

表1 分散控制系統(tǒng)電源需求分析

2 基于UC3843的電源設(shè)計(jì)

2.1 電路構(gòu)成與原理

電路結(jié)構(gòu)框如圖1所示，主要由脈寬調(diào)制、MOS驅(qū)動(dòng)、電壓變換、輸出調(diào)節(jié)及反饋環(huán)路等組成。主要以UC 3843 B芯片為PWM調(diào)節(jié)器，結(jié)合負(fù)反饋電路穩(wěn)定變壓器次級(jí)輸出。

圖1 電源電路結(jié)構(gòu)框圖

單端反激結(jié)構(gòu)由MOS管Q、電壓變換模塊及輸出調(diào)節(jié)模塊組成[2]。MOS管的G極由UC 3843控制，當(dāng)G極為高時(shí)Q打開，為低時(shí)Q截止。Q打開時(shí)，電流由原邊電感線圈流過，副邊整流二極管的存在使得能量可以保存在變壓器的原邊[3]；Q關(guān)閉時(shí)，原邊電感無電流，變壓器所有電壓調(diào)換方向，副邊二極管正向?qū)?，原邊電感上的能量感?yīng)到副邊電感線圈，并經(jīng)過次級(jí)整流二極管整流、電容電感構(gòu)成的濾波平滑電路后得到穩(wěn)定輸出。

2.2 高頻電壓變換器設(shè)計(jì)

本文基于AP法[4]選擇電壓變換器磁芯，AP法公式為：

(1)

式中:Ae為磁芯截面積；Aw為磁芯窗口面積；η為效率，η取80%；Ku為窗口利用系數(shù)，取0.3；Po為輸出功率，Po取11 W；J為電流密度，J取200 A/cm2；Dmax為最大占空比，Dmax取0.36；Bm為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，Bm取0.2 T；f為工作頻率，f取172 kHz；Kj為鐵芯間隙系數(shù)，Kj取1。代入式(1)，得AP=0.333 ，考慮到漏磁等因素，查表選擇磁芯型號(hào)為EPC13，Ae=12.5 mm2。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，最小輸入電壓Uimin為21.6 V，開關(guān)周期T=5.814 μs，則開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間ton max=2.093 μs。電壓變換器斷續(xù)工作，初次級(jí)匝數(shù)比[5]由下式判斷：

(2)

一次側(cè)參數(shù)電流峰值[6]為：

(3)

而一次側(cè)電感Lp又同時(shí)滿足以下公式：

(4)

則一次側(cè)匝數(shù)[7]：

(5)

二次側(cè)匝數(shù)：

(6)

代入?yún)?shù)求取一次側(cè)匝數(shù)與二次側(cè)匝數(shù)及初級(jí)電感量等參數(shù)。對各參數(shù)取整，最終得到所設(shè)計(jì)電壓變換器如圖2所示。

圖2 電壓變換器示意圖

2.3 PWM調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

PWM調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。UC 3843是一種電流控制的PWM控制芯片[8]。它可以直接驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管工作。24 V 模塊電壓經(jīng)過輸入濾波，再經(jīng)過MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷及電壓變換器的降壓，變成高頻率的脈沖波形，然后經(jīng)過次級(jí)的二極管整流與電容電感濾波后產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出。UC 3843驅(qū)動(dòng)的PWM信號(hào)根據(jù)負(fù)反饋來調(diào)節(jié)脈寬，進(jìn)而控制MOS的開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

PWM的調(diào)節(jié)頻率由RC定時(shí)電路決定，選取RT為10 kΩ，CT為1 000 pF，則PWM頻率為：

(7)

MOS管開關(guān)瞬間，尖峰和感應(yīng)電壓在初級(jí)線圈上會(huì)有比較明顯的表現(xiàn)，它們和直流部分一塊加到MOS管的D極，極易損壞MOS管。因此設(shè)計(jì)了由電阻R1、電容C1與二極管D1組成的漏極鉗位保護(hù)電路，以此吸收尖峰，保證MOS管的安全。

2.4 輸出調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要是將電壓變換器次級(jí)的電平變換為單向電平并平滑處理。這里選擇整流二極管型號(hào)為US1D，其最大恢復(fù)時(shí)間為50 ns，由于PWM頻率為172 kHz，因此可以滿足電源要求。濾波采用兩級(jí)濾波形式，第一級(jí)濾波電容位于整流二極管后端，按式(8)[9]計(jì)算：

(8)

式中:Io為額定電流;Dmin為輸入電壓較高且負(fù)載較輕時(shí)的最小占空比(取0.1);Upp為最大的輸出電壓紋波峰峰值。代入?yún)?shù)計(jì)算之后再結(jié)合閾值選取各輸出電壓濾波電容。

第二級(jí)濾波采用LC結(jié)構(gòu)，將大的輸出紋波再次濾除，根據(jù)電壓越高電感越大的原則并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選取各電感、電容,如圖4所示。兩級(jí)濾波均采用高頻低阻的電解電容。為進(jìn)一步濾除較小的紋波，每路電壓輸出前再加入0.1 μF陶瓷電容進(jìn)行濾波。

圖4 整流濾波電路設(shè)計(jì)

2.5 反饋環(huán)路設(shè)計(jì)

圖5為反饋環(huán)路設(shè)計(jì)。將MOS管的漏源極間電流流過1 Ω電阻，再進(jìn)行高頻濾波作為UC 3843的電流反饋引腳輸入，實(shí)現(xiàn)MOS管的電流負(fù)反饋。

圖5 反饋環(huán)路設(shè)計(jì)

電壓反饋模塊由光耦、TL431A以及電阻采樣組成。+5 V電壓由兩個(gè)1 kΩ精密電阻進(jìn)行分壓采樣，而后控制TL431A的輸出。副邊線圈Nb上的電壓為光耦供電。輸出如果下降，則反映到TL431A的穩(wěn)壓值下降，進(jìn)而光耦內(nèi)部的光電三極管電流變大，反饋值也相應(yīng)變大，進(jìn)一步與UC 3843內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，然后由誤差比較放大器放大，對應(yīng)的誤差由電流檢測比較器比較。再由UC 3843控制PWM脈寬變寬，MOS管打開時(shí)間延長，副邊電壓變大，完成負(fù)反饋調(diào)節(jié)，反之亦然。

3 試驗(yàn)測試及分析

使用電阻模擬現(xiàn)場負(fù)載，測試各路輸出電壓性能，得到如表2所示的結(jié)果。

表2 分散控制系統(tǒng)電源性能測試結(jié)果

使用示波器測量功率開關(guān)管G極和D極波形分別如圖6和圖7所示。反饋環(huán)路的+5 V輸出電壓紋波如圖8所示。可以看出，實(shí)測PWM調(diào)節(jié)頻率為153.0 kHz，漏極上升沿陡峭，未達(dá)到變壓器的飽和區(qū)，符合設(shè)計(jì)要求。+5 V輸出紋波約為80 mV，各路輸出精度、功率和效率均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可以為分散控制系統(tǒng)各功能模塊供電。相較于DC/DC方案構(gòu)成的電源系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的分散控制系統(tǒng)電源模塊成本降低30%。

圖6 功率開關(guān)管柵極波形

圖7 功率開關(guān)管漏極波形

圖8 +5 V輸出電壓波形

4 結(jié)束語

本文基于單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了小功率的分散控制系統(tǒng)低成本電源模塊，從穩(wěn)定輸出電壓、減小電源紋波、提高電源效率、降低電源功耗與成本等多個(gè)角度設(shè)計(jì)了電源電路。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電源模塊的性能指標(biāo)。與傳統(tǒng)的集成式DC/DC電壓變換芯片構(gòu)成的供電系統(tǒng)相比，該電源模塊結(jié)構(gòu)更為靈活，結(jié)構(gòu)更加簡化，在滿足分散控制系統(tǒng)多樣的電源需求的同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本，提高了產(chǎn)品可維修性，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用到其他小功率電源變換領(lǐng)域。