多路輸出直流穩壓電源模塊的設計與實現

張樹團 史賢俊 肖支才

（海軍航空工程學院控制工程系，山東264001）

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，對設備的狀態的檢測要求越來越高，從而要求測試設備能夠提供高精度的準確測試。要實現高精度的準確測試，測試設備中的電壓信號經過電路后要提供準確的電壓值，這就對電源模塊的準確度提出了很高的要求[1,2]。

在某測試設備的研制過程中，為了完成測試任務，該設備需要多種直流電壓信號，并且要求能夠對部分電壓信號的輸出進行控制。通過分析發現，該測試設備提供給電源模塊的空間很小，且三路直流電壓輸出通過外部高低電平進行控制，現有的電源模塊無法滿足這一需求；為了解決這一問題，設計了一種輸出電壓可控的直流電源模塊，用來為測試設備提供±12 V、+5 V、+9 V和+6 V直流電壓信號輸出，同時能夠根據控制信號輸入端電壓的高低實現對±12 V和+5 V電壓信號的輸出控制，并具有過欠壓保護和六路光耦輸出控制等功能。該模塊的實現為需要以上直流電壓信號的測試設備提供穩定可靠、高精度的電源，滿足了電壓可控的需求。

2 總體設計

該電源模塊的系統結構圖如圖1所示，可以看出，220 V交流電壓信號輸入后，首先經過濾波電路模塊進行濾波[3]，然后分兩路實現交直流變換，一路直接經過整流橋得到+300 V直流電壓信號，在通過DC/DC變換為±12 V和+5 V直流電壓信號；另一路經過10：1的變壓器降壓后再利用整流器進行整流，得到23 V直流電壓信號，并分別利用直流電壓集成穩壓器產生+9 V和+12 V電壓，+9 V為基準電壓源供電，與配套電路一起產生相應的直流電壓信號用來作為控制電路中的基準信號，同時為指示燈提供正電壓。控制保護電路主要分為控制電路和過欠壓保護電路，控制電路主要是用來實現對可控直流電壓的輸出控制，而過欠壓保護電路主要是用來實現對過欠壓保護，起到必要時保護三個DC/DC的作用。

圖1 系統總體結構圖

3 硬件設計

（1）設計目標

該模塊的設計目標為 AC/DC電源模塊，輸入電壓為220 V/50 Hz交流輸入，輸出直流電壓為±12 V、+5 V、+9 V和+6 V。

（2）濾波整流電路

為了濾除電路中的干擾，電源輸入端采用兩級濾波器SCHAFFNER的FN 410-3/02，該濾波器的額定電流為3 A，最大工作電壓為250 V交流，頻率為50/60 Hz，工作溫度為-25 ℃ ～ + 1 00℃，平均無故障時間為 675000小時。在該電源模塊中，由于每個穩壓模塊、基準源和直流電壓輸出端等都需要進行濾波，因此多選用電解電容，電解電容值的選取從47 μF/25 V到1000 μF/16 V不等。

整流橋的選擇按照整流電路的不同分為兩種，一種是將220 V交流整流為300 V直流電路中，選用了 KBPC 108整流橋，其輸入電壓為50～1000 V、輸入電流為3 A，用來實現高壓整流。另一種是低壓整流，在這個電路中，首先是將220 V交流電經過10：1的變壓器變壓后，采用整流橋進行整流，輸出直流電壓為23 V。

（3）DC/DC電路設計

為了得到穩定可靠的±12 V和+5 V直流電壓，在DC/DC電路中，分別選用高可靠的DC/DC模塊實現低壓直流輸出。在低壓側，經過整流后得到23 V直流電壓，通過采用不同的集成穩壓器實現+9 V和+12 V輸出，在每個模塊的輸入輸出端分別加100 μF/25 V和47 μF/25 V的電解電容進行濾波。在高壓側，產生三個±12 V和+5 V直流電壓，并且要求能夠通過外部接口輸入高低電平控制這三個電壓信號的輸出。故選用 VICOR的VI-J61-IZ、VI-J61-IY和VI-J60-IX電源模塊實現±12 V和+5 V電壓輸出。這三個模塊的電源輸入端接300 V直流電源，即可獲得高精度的±12 V和+5 V電壓，要想對DC/DC的進行輸出控制，只需要控制三個電源模塊中的Gate In端即可，三個DC/DC電路原理圖如圖2所示。圖2中當控制端信號為高電平時，VT1、VT2和VT3工作，此時DC/DC的2端接地，DC/DC均不工作，±12 V和+5V電壓不輸出；當控制端信號為低電平時，VT1、VT2和VT3均不工作，此時DC/DC均正常工作，±12 V和+5 V電壓輸出。

圖2 三個DC/DC電路原理圖

（4）直流電壓控制電路

直流電壓控制電路的原理圖如圖3所示。該電路主要由過欠壓保護電路和外部電壓控制電路兩部分組成。過欠壓保護電路主要是指當輸入電壓過高（或過低）時產生超過（低于）300 V一定比例的電壓后，經過調理電路使電壓比較器MAX973電壓發生跳變，從而改變控制信號的輸出，致使DC/DC的Gate In端電壓跳變，進而使DC/DC停止工作。外部電壓控制電路是指當外部控制信號輸入端電平發生改變時，控制信號的輸出端的電壓發生跳變，從而改變DC/DC的Gate In端的電壓，使DC/DC停止（或開始）工作。

當外部控制信號輸入為低電平時，與非門電路中觸發器輸出為高電平，此時計數器清零，經過計數觸發電路和反相器反相后控制信號輸出為高電平，從而進一步驗證三個DC-DC不工作，相應的DC/DC工作指示燈不亮。當外部控制信號輸入為高電平時，與非門電路中觸發器輸出為低電平，此時計數器開始計數，經過計數觸發電路和反相器反相后控制信號輸出為低電平，從而進一步驗證三個DC-DC正常工作，±12 V和+5 V電壓輸出，相應的DC/DC工作指示燈亮。

圖3 直流電壓控制電路原理圖

4 實驗結果

該多路輸出直流穩壓電源模塊已經應用于實際設備中，將該電源模塊加220 V/50 Hz交流電后，得到±12 V、+5 V、+6 V和+9 V輸出電壓。±12 V和+5 V電壓輸出端的實測波形如圖 4所示。將該電源模塊放在-55～105℃℃下進行試驗，發現在相同電源的情況下，測得直流輸出電壓不變。

圖4 直流電壓輸出實測波形

5 結束語

通過實際應用表明，該電源模塊達到了設計要求，不但具有多路輸出直流電壓的功能，而且具有輸出電壓穩定可靠、精度高等特點。

[1]周志敏, 周紀海. 開關電源使用技術——實際與應用[M]. 北京： 人民郵電出版社, 2003.

[2]胡進. 高可靠DC/DC變換器模塊設計[J]. 電子元器件應用, 2007, 9(8)： 28-30.

[3]許泰峰, 曲偉, 司娜. 一種基于UC3843電流模式控制器的高效 DC-DC模塊電源設計[J]. 儀表技術,2010(9)： 66-70.