多路輸出隔離特種電源設(shè)計(jì)

胡衛(wèi)鵬 何海龍 賈高松

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)是雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制的重要發(fā)展趨勢(shì)，以DSP為核心的數(shù)字處理電路是交流伺服的基礎(chǔ)，在交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部集成多路輸出隔離電源可以提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。高頻開(kāi)關(guān)電源與普通線性穩(wěn)壓電源相比其優(yōu)點(diǎn)為效率高、體積小、重量輕、成本低。而新型集成高頻開(kāi)關(guān)電源與傳統(tǒng)的高頻開(kāi)關(guān)電源相比不僅簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)改善了電源的電磁兼容性能，輸出電壓穩(wěn)定，紋波小。

2 電源需求分析

交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部的控制板輸入電壓為24V。以DSP為核心的數(shù)字電路需要+5V供電;以電流、電壓濾波和采集等模擬電路需要±15V供電;通信接口的隔離+5V供電。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器供電性能的具體要求并保證每路供電留有足夠余量，設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)內(nèi)部電源參數(shù)見(jiàn)表1。

另:效率≥80%，體積不大于95×65×35mm3，隔離電壓 U≥2500Vrms。

表1 電源輸出電氣參數(shù)

3 電源環(huán)路設(shè)計(jì)

3.1 電路拓?fù)溥x擇

電源采用負(fù)反饋控制回路來(lái)穩(wěn)定輸出電壓(圖1)。各路輸出電壓之間的比例關(guān)系是通過(guò)變壓器繞組之間的匝數(shù)比來(lái)決定的，當(dāng)主路輸出電壓變化時(shí)，信號(hào)反饋到PWM控制單元，調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)控制MOS管的通斷，進(jìn)而控制了變壓器的輸入電壓，使輸出穩(wěn)定。考慮到輸入電壓會(huì)有共模和差模干擾，在電壓輸入前端設(shè)計(jì)濾波電路，變壓器繞組的輸出須經(jīng)過(guò)整流濾波電路。

圖1 電源設(shè)計(jì)框圖

控制芯片選用美國(guó)功率集成公司的DPA－Switch新型智能高頻開(kāi)關(guān)電源集成芯片。該芯片將自啟動(dòng)電路、功率開(kāi)關(guān)MOS管、PWM控制電路及保護(hù)電路等集成在一起，簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，外圍電路簡(jiǎn)單、體積輕、重量小，溫度范圍寬(－40°C～125°C)。

DPA－Switch系列構(gòu)成的電路原理圖如圖2所示。其中S端和D端是DPA內(nèi)部MOSFET的源極和漏極端，F(xiàn)引腳可選擇開(kāi)關(guān)頻率為400kHz或300kHz。X引腳的下拉電阻可以限制內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電流，防止輸出的過(guò)電流;L引腳的上拉電阻可以設(shè)定是欠壓/過(guò)壓門限制，C是反饋控制端。

圖2 DPA－Switch典型應(yīng)用電路

開(kāi)關(guān)電源常用的電路拓?fù)湫问綖檎な阶儞Q電路和反激式變換電路。正激式變換電路需有磁復(fù)位電路防止磁飽和，產(chǎn)生功率較大，體積較大。反激式變換電路產(chǎn)生功率較小，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，但電路簡(jiǎn)單，體積較小?？紤]到體積的限制，選用反激式變換拓?fù)洹PA－Switch系列有四種型號(hào)，其中DPA426輸出功率最大，在16V～32V輸入電壓的反激式變換電路中可達(dá)為32W，能滿足電源功率要求，故選用DPA426。

3.2 變壓器

3.2.1 變壓器材料及規(guī)格

開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓是由高頻變壓器多個(gè)二次繞組經(jīng)整流濾波后獲得，因此開(kāi)關(guān)電源的性能在很大程度上取決于變壓器的設(shè)計(jì)。高頻變壓器的磁芯選用鐵氧體材料PC40，它具有高飽和磁通密度、高磁導(dǎo)率、高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)。

反激式變換電路的變壓器主要承擔(dān)儲(chǔ)能的作用，所以特別關(guān)注原邊電感量這個(gè)重要參數(shù)。查閱磁芯結(jié)構(gòu)和磁芯骨架的資料，為了方便磁芯的采購(gòu)和變壓器繞制，選用EE型變壓器。由于電源多路輸出所需變壓器骨架的管腿較多，采用了EE28的變壓器磁芯和骨架。

3.2.2 磁芯插入氣隙的大小

變壓器有氣隙時(shí)，導(dǎo)磁能力降低，導(dǎo)致每匝的電感量減小，繞組總電感值減小，但氣隙的存在可以減少磁芯里直流成分所產(chǎn)生的磁通。實(shí)際設(shè)計(jì)工作是通過(guò)氣隙大小調(diào)整來(lái)避免磁飽和?？捎孟率接?jì)算氣隙。

式中:lg為氣隙長(zhǎng)度(mm)，μ為4π ×10－7，Np為原邊匝數(shù)，Lp為原邊電感(mH)，Ae為磁芯面積(mm2)。

3.2.3 繞線方式及線徑的選擇

變壓器采用漆包線繞制，即初級(jí)繞組的層與層之間及初級(jí)和偏置繞組之間都采用擋墻繞制結(jié)構(gòu)來(lái)加強(qiáng)絕緣強(qiáng)度(三層膠帶)。變壓器的繞制結(jié)構(gòu)如圖3(每個(gè)線圈輸出電壓、匝數(shù)及線徑見(jiàn)圖3)。

圖3 變壓器繞制結(jié)構(gòu)

3.3 電路輸入部分

由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲(chǔ)電容和分布電容，開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，容易在開(kāi)關(guān)管漏源兩端和二極管上產(chǎn)生尖峰電壓。高頻變壓器的初級(jí)必須設(shè)置保護(hù)電路，確保DPA－Switch不被損壞。根據(jù)PI公司的資料推薦，為保證浪涌電壓的幅度限制在一定的幅度(200 V)，在電源功率小于20W時(shí)，用TVS(瞬變電壓抑制二極管，也稱做齊納二極管)將浪涌能量泄放掉，當(dāng)電源功率在20W～50W之間時(shí)，要用RCD鉗位電路(如圖4)。

3.4 反饋控制電路設(shè)計(jì)

變壓器每一路輸出都采用肖特基二極管整流，來(lái)減少系統(tǒng)功率損耗。整流后再采用π型濾波電路來(lái)減小紋波。反饋基準(zhǔn)電壓用TL431產(chǎn)生，反饋回路的主輸出通路的誤差值輸入到光耦隔離芯片MOC8106后，由輔組繞組的電流產(chǎn)生。反饋通路的相位補(bǔ)償電路可以對(duì)系統(tǒng)起到相位校正的作用。反饋控制電路如圖4所示。

圖4 反饋控制電路圖

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

調(diào)試中的電源板如圖5。在額定輸入范圍16V～32V內(nèi)，電源能穩(wěn)定工作，輸出電壓變化范圍小于0.2V;當(dāng)輸入電壓值超過(guò)額定輸入范圍時(shí)，電源會(huì)自動(dòng)保護(hù)重啟。從示波器(圖6)看出，紋波測(cè)試紋波為50mV左右，紋波很小，能完全滿足交流伺服系統(tǒng)的供電要求。

電源連續(xù)24小時(shí)加電工作正常，電源呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定特性，電源效率為82%。

多路輸出隔離電源不僅能完全滿足交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部供電的要求，還具有單片集成化、外圍電路簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)現(xiàn)了電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。此外，此特種電源的設(shè)計(jì)還可以不斷深入，提高系統(tǒng)的集成化，并應(yīng)用于其它開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。

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