國產(chǎn)化2kW高壓恒流電源的設(shè)計

常伯儀

（天津力神特種電源科技股份公司，天津 300384）

0.引言

恒流電源在電力拖動、半導(dǎo)體器件檢測、便攜式移動設(shè)備等工業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計所實現(xiàn)的是一種采用動力電池電源作為輸入源，完成電壓變換，實現(xiàn)恒流輸出功能的高壓恒流電源。并具有通過CAN總線受控于外部控制電路組件，實現(xiàn)開啟、關(guān)閉輸出，以及電流輸出強度設(shè)置，工作狀態(tài)讀取等控制功能。

1.電路功能模塊劃分及主拓?fù)涔ぷ髟韷K介紹

通過對設(shè)計需求及應(yīng)用場景的具體分析，電源的技術(shù)特征主要有輸入輸出隔離、恒流可調(diào)、100%國產(chǎn)化、高可靠性、散熱無風(fēng)扇、中等功率輸出等。電路的主要功能是將輸入直流電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要的可調(diào)直流恒流源，同時電源具備CAN通信以及完善的保護(hù)功能，難點在于如何在100%國產(chǎn)化器件的要求下，實現(xiàn)能夠可靠運行且具有較高能量轉(zhuǎn)換效率[1]。為了實現(xiàn)這些功能，產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計思路，總共由主功率模塊、控制電路模塊和輔助電源模塊3個功能模塊組成，內(nèi)部功能組成框圖如圖1所示。

圖1 功能組成框圖

1.1 主功率模塊

主功率模塊的功能是進(jìn)行電壓電流變換以及功率傳輸，主要由輸入濾波、尖峰抑制及防浪涌電路、DC/DC變換器、驅(qū)動電路、防反接與防反流電路、輸出濾波電路等部分組成。

1.2 控制電路模塊

控制電路的主要功能是實時監(jiān)控主電路工作狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整反饋環(huán)路，保障主電路能夠按照設(shè)定值準(zhǔn)確可靠的運行，同時控制電路還要完成內(nèi)部自檢、對外通信等功能。控制電路的組成包括正激PWM控制電路、電壓電流信號調(diào)理電路、通信電路、MCU控制系統(tǒng)電路等部分組成。

1.3 輔助電源模塊

輔助電源的主要功能是為控制電路模塊以及主功率模塊提供穩(wěn)定可靠的低壓電源。為了提高內(nèi)部輔助電源的可靠性，該部分電路采用主從供電方式，由高壓輸入變換得到的輔助電源作為主要輔助電源，由低壓輸入變換得到的輔助電源作為后備電源，后備電源通過二極管連接到主要輔助電源上。正常工作時內(nèi)部控制模塊供電由主要輔助電源提供，當(dāng)主功率模塊發(fā)生故障、主輔助電源發(fā)生故障或是高壓輸入消失時，內(nèi)部輔助電源由后備電源提供。

2.主功率模塊

能夠?qū)崿F(xiàn)該型電源需求的拓?fù)涠喾N多樣，每一種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)缺點，本設(shè)計把完全國產(chǎn)化及高可靠性作為最主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，選擇交錯并聯(lián)雙管正激電路來設(shè)計該型電源。圖2是主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主控芯片采用EG3846 PWM控制器由深圳深圳屹晶微電子生產(chǎn)。

圖2 主功率原理圖（交錯并聯(lián)雙管正激拓?fù)洌?/p>

2.1 開關(guān)頻率選擇

較高開關(guān)頻率會使磁性元器件及電容的體積下降，重量降低，但是較高的開關(guān)頻率會帶來較大的開關(guān)噪聲。本方案中該型恒流電源的開關(guān)頻率選擇100kHz。由于交錯并聯(lián)雙管正激的拓?fù)鋬?yōu)勢，副邊電感和電容的工作頻率為200kHz，這樣在保證相對較小的開關(guān)噪聲下，可以獲得相對較小的體積重量[2]。

2.2 變壓器計算選型

2.2.1 確定變壓器匝比

取最大占空比為0.45，副邊二極管管壓降為0.8V，計算過程如下：

經(jīng)過計算，變壓器匝比至少為1:0.85，結(jié)合變壓器繞制的工程需要，取變比為1:1。

2.2.2 確定磁芯

磁芯選擇采用KG法，經(jīng)過迭代計算，磁芯選擇東磁的ECW64平面磁芯作為功率變壓器磁芯，磁芯材質(zhì)為DMR44。

2.2.3 變壓器工程方案

為了盡可能提高功率密度，減少體積，本設(shè)計方案采用平面變壓器方案。原副邊繞組出線單獨引出，磁芯外層加金屬屏蔽導(dǎo)熱罩，兼顧散熱與電磁兼容要求。

由于采用交錯并聯(lián)拓?fù)洌恳幌嘀怀袚?dān)一半的輸出功率，計算MOS管電流的峰值、平均值、有效值，根據(jù)拓?fù)涮匦源_定MOS管耐壓。計算過程如下：

根據(jù)上述計算，按照元器件降額標(biāo)準(zhǔn)（SⅠ，TⅠ），在綜合對比了幾家國產(chǎn)MOS管廠家的產(chǎn)品后，選擇龍騰半導(dǎo)體的LSB65R041GF產(chǎn)品作為主開關(guān)管，為了進(jìn)一步提高效率，采用雙管并聯(lián)方式。

3.控制電路模塊

3.1 控制電路概述

控制電路的組成包括供電電路、正激PWM控制電路、電壓電流信號調(diào)理電路、通信電路、MCU控制系統(tǒng)電路等部分，如圖3所示。

圖3 控制電路框圖

3.2 微處理器電路

微處理器電路采用國產(chǎn)GD32系列單片機實現(xiàn)，主要用于控制信號采集，接收處理通信模塊發(fā)出的指令，并對配置信息，狀態(tài)信息等進(jìn)行存儲，同時完成AD模擬量采集、自檢、保護(hù)等功能。單片機作為主處理器，完成數(shù)據(jù)交換，接收/執(zhí)行指令，存儲等功能，為了進(jìn)一步增強功率模塊的容錯能力和可靠性，設(shè)計了看門狗電路。處理器電路如圖4所示。

圖4 處理器電路

4.結(jié)論

通過實際電路組裝調(diào)試，該電路具有體積小、重量輕、可靠性高等特點，選用低功耗特性的控制器件，自身消耗的電流較低，且利用其智能化特性可替代許多分立器件，有利于進(jìn)行電源管理、滿足智能化特性及提高產(chǎn)品的可靠性等特點。通過分析產(chǎn)品的功耗分布，選用低電壓、低功耗的器件代替功耗較大的器件；在產(chǎn)品設(shè)計中，選用的邏輯電路、單片機及外圍電路等均為CMOS工藝的低功耗器件，相對于TTL工藝的此類器件，是降低產(chǎn)品功耗最直接的辦法。既滿足低功耗設(shè)計又滿足高精度高速度的設(shè)計，產(chǎn)品的各項功能和性能指標(biāo)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。