1 引言
在科研,、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常用到電壓在5～15V,，電流在5～40A的電源。而一般實(shí)驗(yàn)用電源最大電流只有5A,、10A,。為此專門開發(fā)了電壓4V～16V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40A的開關(guān)電源,。它采用了半橋電路,，所選用開關(guān)器件為功率MOS管，開關(guān)工作頻率" title="工作頻率">工作頻率為50kHz,，具有重量輕,、體積小、成本低等特點(diǎn),。
2 主要技術(shù)指標(biāo)
1）交流輸入電壓" title="輸入電壓">輸入電壓AC220V±20％,；
2）直流輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓4～16V可調(diào)；
3）輸出電流0～40A；
4）輸出電壓調(diào)整率≤1％,；
5）紋波電壓Upp≤50mV,；
6）顯示與報(bào)警具有電流/電壓顯示功能及故障告警指示。
3 基本工作原理及原理框圖
該電源的原理框圖如圖1所示,。
4 各主要功能描述
4.1交流EMI濾波及整流濾波電路
交流EMI濾波及整流濾波電路如圖2所示,。
交流輸入220V時(shí),，整流采用橋式整流電路,。如果將JTI跳線短連時(shí)，則適用于110V交流輸入電壓,。由于輸入電壓高,，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流,，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍,。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯" title="磁芯">磁芯飽和損壞功率器件,，造成高壓電解電容使用壽命降低等,。所以在整流橋前加入由電阻R1和繼電器K1組成的輸入軟啟動(dòng)電路。
4.2半橋式功率變換器
該電源采用半橋式變換電路,，如圖6所示,，其工作頻率50kHz，在初級(jí)一側(cè)的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35電容器,。Q4和Q5交替導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通,、截止，在高頻變壓器初級(jí)繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值為U1/2的正負(fù)方波脈沖電壓,。能量通過(guò)變壓器傳遞到輸出端,，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。
4.3功率變壓器的設(shè)計(jì)
1）工作頻率的設(shè)定
工作頻率對(duì)電源的體積,、重量及電路特性影響很大,。工作頻率高,，輸出濾波電感和電容體積減小,，但開關(guān)損耗增高,，熱量增大，散熱器體積加大,。因此根據(jù)元器件及性價(jià)比等因素,，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本例為fs=50kHz,。
T=1/fs=1/50kHz=20μs
2）磁芯選用
?、龠x取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)
選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多,，引線空間大,，接線操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),。
?、诖_定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm
R2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.47T，考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降,，同時(shí)為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和,，選定 Bm=1/3Bs=0.15T。
?、塾?jì)算并確定磁芯型號(hào)
磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關(guān)系,。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為
j——電流密度,，一般取300～500A/cm2；
Kc——磁芯的填充系數(shù),，對(duì)于鐵氧體Kc=1,；
Ku——銅的填充系數(shù)，Ku與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān),，一般為0.1～0.5左右,。
3)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)
按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時(shí)占空比最大）來(lái)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù),，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2×176=211.2V,。
對(duì)于半橋電路、功率變壓器初級(jí)繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V,，設(shè)最大占定比Dmax=0.9,，則
在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí),，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng),，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）決定
μ為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率，對(duì)于銅線相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1,，則μ=μ0×μr=4π×10－7H/m,；
γ為銅的電導(dǎo)率，γ=58×10－6Ωm,；
穿透深度Δ的單位為m,。
變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度為Δ=0.2956mm,，因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線,。另外考慮到銅線電流密度一般取3～6A/mm2，故這里選用0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級(jí)共10匝,，次級(jí)選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝,。
4.4輔助電源的設(shè)計(jì)
輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見圖3,。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓,，輸出直流電壓為12.5V，輸出直流電流為0.5A,。電路中Q8和變壓器初級(jí)繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩,。R72為啟動(dòng)電阻。Q9,、R77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過(guò)流保護(hù),。D20、C81,、ZD1,、Q11、R75,、R76構(gòu)成電壓檢測(cè)與穩(wěn)壓電路,，控制Q8的基極電流的直流分量,，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19,、LP3材質(zhì)構(gòu)成,。初級(jí)180匝，反饋繞組5.5匝,，次級(jí)11匝,，初級(jí)電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm,。
4.5驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號(hào),，通過(guò)高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)功率MOS管,。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，MOS管導(dǎo)通,，在此期間Q7截止,，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí),，則Q7導(dǎo)通,，快速泄放MOS管柵級(jí)電荷，加速M(fèi)OS管截止,。R70是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰,，R68、D15,、R67可以加速驅(qū)動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩,。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路。
4.6風(fēng)扇風(fēng)速控制電路
風(fēng)扇風(fēng)速控制電路見圖5,。利用二極管正向管壓降隨溫度升高而呈下降趨勢(shì)的特性,，將D9、D10做為散熱器溫度采樣器件,。方法是將D9,、D10兩二極管緊靠在散熱器上，當(dāng)散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時(shí),，運(yùn)放N2A正相輸入端電平降低,，輸出低電平使三極管Q3開始導(dǎo)通，風(fēng)機(jī)上電壓升高,，轉(zhuǎn)速升高,，最終到達(dá)最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載較輕,，使散熱器溫度低于50℃時(shí),，N2A輸出高電平,，Q3不導(dǎo)通，輔助電源12.5V經(jīng)電阻R57降壓給風(fēng)機(jī)供電,，風(fēng)機(jī)處于低速,、低噪聲運(yùn)行狀態(tài)。此電路可以提高風(fēng)機(jī)工作壽命,，增加電路可靠性,，亦可在小負(fù)載情況下，減少風(fēng)機(jī)帶來(lái)的噪聲,。
控制電路采用通用脈寬調(diào)制器TL494,，具有通用性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，見圖6,。輸出電壓經(jīng)R40,、RV2、RV1,、R41進(jìn)行分壓采樣,，經(jīng)R5阻抗匹配后送到TL494腳1。RV1裝在電源前面板上用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié),。R103和C14將輸出電感L1前信號(hào)采樣,，經(jīng)R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度,，消除L1對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性影響,。
4.8過(guò)流保護(hù)電路
為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初,、次級(jí)兩級(jí)過(guò)流保護(hù),。初級(jí)采用電流互感器CT1檢測(cè)初級(jí)變壓器電流，檢測(cè)出的電流信號(hào)經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后,，再經(jīng)D2～D4,，C9整流濾波后，經(jīng)過(guò)電位器RV3分壓,，反相器N3反相后加在Q1管基極,。當(dāng)初級(jí)電流超過(guò)正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn),，Q1管導(dǎo)通,，將VREF=5V的高電平加在TL494腳4上（腳4為TL494死區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷）,，TL494關(guān)斷,。
輸出直流總線上過(guò)流保護(hù)，采用R45～R56電阻做為采樣電阻,，當(dāng)輸出電流增加時(shí)腳15電平變低,，當(dāng)輸出電流大于40A的105％時(shí),，TL494的內(nèi)部運(yùn)放動(dòng)作，腳3電平升高,，限制輸出脈寬增加,，電源處于限流狀態(tài)。
在科研,、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常用到電壓在5～15V,，電流在5～40A的電源。而一般實(shí)驗(yàn)用電源最大電流只有5A,、10A,。為此專門開發(fā)了電壓4V～16V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40A的開關(guān)電源,。它采用了半橋電路,，所選用開關(guān)器件為功率MOS管，開關(guān)工作頻率" title="工作頻率">工作頻率為50kHz,，具有重量輕,、體積小、成本低等特點(diǎn),。
2 主要技術(shù)指標(biāo)
1）交流輸入電壓" title="輸入電壓">輸入電壓AC220V±20％,；
2）直流輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓4～16V可調(diào)；
3）輸出電流0～40A；
4）輸出電壓調(diào)整率≤1％,；
5）紋波電壓Upp≤50mV,；
6）顯示與報(bào)警具有電流/電壓顯示功能及故障告警指示。
3 基本工作原理及原理框圖
該電源的原理框圖如圖1所示,。
4 各主要功能描述
4.1交流EMI濾波及整流濾波電路
交流EMI濾波及整流濾波電路如圖2所示,。
交流輸入220V時(shí),，整流采用橋式整流電路,。如果將JTI跳線短連時(shí)，則適用于110V交流輸入電壓,。由于輸入電壓高,，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流,，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍,。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯" title="磁芯">磁芯飽和損壞功率器件,，造成高壓電解電容使用壽命降低等,。所以在整流橋前加入由電阻R1和繼電器K1組成的輸入軟啟動(dòng)電路。
4.2半橋式功率變換器
該電源采用半橋式變換電路,，如圖6所示,，其工作頻率50kHz，在初級(jí)一側(cè)的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35電容器,。Q4和Q5交替導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通,、截止，在高頻變壓器初級(jí)繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值為U1/2的正負(fù)方波脈沖電壓,。能量通過(guò)變壓器傳遞到輸出端,，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。
4.3功率變壓器的設(shè)計(jì)
1）工作頻率的設(shè)定
工作頻率對(duì)電源的體積,、重量及電路特性影響很大,。工作頻率高,，輸出濾波電感和電容體積減小,，但開關(guān)損耗增高,，熱量增大，散熱器體積加大,。因此根據(jù)元器件及性價(jià)比等因素,，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本例為fs=50kHz,。
T=1/fs=1/50kHz=20μs
2）磁芯選用
?、龠x取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)
選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多,，引線空間大,，接線操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),。
?、诖_定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm
R2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.47T，考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降,，同時(shí)為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和,，選定 Bm=1/3Bs=0.15T。
?、塾?jì)算并確定磁芯型號(hào)
磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關(guān)系,。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為
j——電流密度,，一般取300～500A/cm2；
Kc——磁芯的填充系數(shù),，對(duì)于鐵氧體Kc=1,；
Ku——銅的填充系數(shù)，Ku與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān),，一般為0.1～0.5左右,。
3)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)
按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時(shí)占空比最大）來(lái)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù),，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2×176=211.2V,。
對(duì)于半橋電路、功率變壓器初級(jí)繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V,，設(shè)最大占定比Dmax=0.9,，則
在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí),，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng),，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）決定
μ為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率，對(duì)于銅線相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1,，則μ=μ0×μr=4π×10－7H/m,；
γ為銅的電導(dǎo)率，γ=58×10－6Ωm,；
穿透深度Δ的單位為m,。
變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度為Δ=0.2956mm,，因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線,。另外考慮到銅線電流密度一般取3～6A/mm2，故這里選用0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級(jí)共10匝,，次級(jí)選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝,。
4.4輔助電源的設(shè)計(jì)
輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見圖3,。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓,，輸出直流電壓為12.5V，輸出直流電流為0.5A,。電路中Q8和變壓器初級(jí)繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩,。R72為啟動(dòng)電阻。Q9,、R77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過(guò)流保護(hù),。D20、C81,、ZD1,、Q11、R75,、R76構(gòu)成電壓檢測(cè)與穩(wěn)壓電路,，控制Q8的基極電流的直流分量,，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19,、LP3材質(zhì)構(gòu)成,。初級(jí)180匝，反饋繞組5.5匝,，次級(jí)11匝,，初級(jí)電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm,。
4.5驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號(hào),，通過(guò)高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)功率MOS管,。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，MOS管導(dǎo)通,，在此期間Q7截止,，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí),，則Q7導(dǎo)通,，快速泄放MOS管柵級(jí)電荷，加速M(fèi)OS管截止,。R70是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰,，R68、D15,、R67可以加速驅(qū)動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩,。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路。
4.6風(fēng)扇風(fēng)速控制電路
風(fēng)扇風(fēng)速控制電路見圖5,。利用二極管正向管壓降隨溫度升高而呈下降趨勢(shì)的特性,，將D9、D10做為散熱器溫度采樣器件,。方法是將D9,、D10兩二極管緊靠在散熱器上，當(dāng)散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時(shí),，運(yùn)放N2A正相輸入端電平降低,，輸出低電平使三極管Q3開始導(dǎo)通，風(fēng)機(jī)上電壓升高,，轉(zhuǎn)速升高,，最終到達(dá)最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載較輕,，使散熱器溫度低于50℃時(shí),，N2A輸出高電平,，Q3不導(dǎo)通，輔助電源12.5V經(jīng)電阻R57降壓給風(fēng)機(jī)供電,，風(fēng)機(jī)處于低速,、低噪聲運(yùn)行狀態(tài)。此電路可以提高風(fēng)機(jī)工作壽命,，增加電路可靠性,，亦可在小負(fù)載情況下，減少風(fēng)機(jī)帶來(lái)的噪聲,。
控制電路采用通用脈寬調(diào)制器TL494,，具有通用性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，見圖6,。輸出電壓經(jīng)R40,、RV2、RV1,、R41進(jìn)行分壓采樣,，經(jīng)R5阻抗匹配后送到TL494腳1。RV1裝在電源前面板上用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié),。R103和C14將輸出電感L1前信號(hào)采樣,，經(jīng)R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度,，消除L1對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性影響,。
4.8過(guò)流保護(hù)電路
為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初,、次級(jí)兩級(jí)過(guò)流保護(hù),。初級(jí)采用電流互感器CT1檢測(cè)初級(jí)變壓器電流，檢測(cè)出的電流信號(hào)經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后,，再經(jīng)D2～D4,，C9整流濾波后，經(jīng)過(guò)電位器RV3分壓,，反相器N3反相后加在Q1管基極,。當(dāng)初級(jí)電流超過(guò)正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn),，Q1管導(dǎo)通,，將VREF=5V的高電平加在TL494腳4上（腳4為TL494死區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷）,，TL494關(guān)斷,。
輸出直流總線上過(guò)流保護(hù)，采用R45～R56電阻做為采樣電阻,，當(dāng)輸出電流增加時(shí)腳15電平變低,，當(dāng)輸出電流大于40A的105％時(shí),，TL494的內(nèi)部運(yùn)放動(dòng)作，腳3電平升高,，限制輸出脈寬增加,，電源處于限流狀態(tài)。
5 結(jié)語(yǔ)
本文介紹的開關(guān)電源已成功地作為實(shí)驗(yàn)室電源,、通信基站電源使用,。其效率≥85％，紋波優(yōu)于30mVPP,，產(chǎn)品可靠性高,、成本低，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,。
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