一種基站遠端電源的設計

王展英

摘要：DC/DC變換的開關電源在工業(yè)上和民用上大量使用，其技術日趨成熟。本文介紹的是一種大功率的開關電源將DC260V～DC380V 電壓或者日常使用的AC220V電壓轉換成DC48V穩(wěn)定輸出電壓，輸出額定電流為10A，功率500W，有過壓和欠壓保護以及過流保護。并且有發(fā)光二極管來指示各種狀態(tài)。此裝置經過多次試驗驗證了其工作可靠，輸出電壓紋波小，性能良好，適合于各種DC48V電源的供電場合。

關鍵詞：開關電源，電壓檢測，振蕩電路，整流濾波

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

0 引言

開關電源與傳統(tǒng)的模擬變壓器相比較，由于它的震蕩頻率高，所以采用體積很小的變壓器即可獲得較大的電流輸出，在直流供電設備上廣泛應用。本文介紹的是一款大功率的開關電源基本原理，以及為了增加穩(wěn)定性和安全性所附加的各種保護功能。特別適合于為基站設備提供電源。

1直流電源的總體設計

一個完整的開關電源首先將輸入電壓進行濾波整流得到穩(wěn)定的直流電壓，通過振蕩電路由變壓產生低壓的控制電源供各控制檢測部分。然后檢測過壓和欠壓，如果輸入電源出現過壓或欠壓，則對應的故障指示燈亮，不會啟動振蕩電路，沒有輸出電壓；如果輸入電壓正常，則啟動振蕩電路，在變壓器的一次側線圈產生相同頻率振蕩電電流，變壓器二次側有幅值不同振蕩電壓輸出，經過整流濾波后得到穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電壓的值反饋到振蕩電路來進行調整使輸出電壓穩(wěn)定可靠。如果輸出電流過大則由過流檢測結果反饋到振蕩電路同時過流指示燈亮起，為了保證安全，使振蕩電路停止工作，輸出過流消失后必須等待一段很長的時間后振蕩電路才開始繼續(xù)工作。

本裝置的設計要求：功率500W，輸入電壓DC260V～DC380V或AC220V，輸出電壓DC48V，紋波小于1V，輸出電流10A，效率大于90%，對地絕緣電阻大于20M歐姆。

2濾波整流

濾波電路基本上是有電容和電感組成的濾波回路，消除高次諧波個抖動電壓，電壓由INPUT端輸入進來，并接入壓敏電阻，防止內部電壓相對于機殼的電壓過高損害設備。通過電容與電感濾波后由二極管組成的整流設備整流輸出穩(wěn)定的直流電壓。

3 生成控制電源的振蕩電路

此振蕩電路采用高性能固定頻率電流模式控制器UC3844，該集成電路的特點是，具有振蕩器、溫度補償參考、高增益誤差放大器、電流取樣補償器和大電流圖騰柱輸出，是驅動MOSFET的理想器件。本裝置采用電流取樣的形式來連接集成電路，振蕩電路以及控制電壓的生成如圖3.1所示。集成電路UC3844和外部阻容電路連接完整后，在第6腳產生振蕩脈沖，以控制場效應管Q115來形成變壓器一次側線圈的振蕩電流。內部振蕩器的振蕩頻率是由內部產生5.0V的標準電壓通過電阻R141給電容C124充電，但充電電壓達到2.8V時，再由內部放電至1.2V，然后再進行充電，如此循環(huán)產生了固定頻率的內部振蕩器，外部輸出的固定頻率的脈沖，可提供1.0A的輸出電流。通過R157上的電壓來對一次側電流取樣，反饋到UC3844的第3腳，以控制輸出脈沖。變壓器的二次側為三路匝數相同的線圈，產生三路同樣的大小的電壓。根據變壓器的特性一次側和二次側電壓與線圈匝數成正比，如式3.1中，N1、 N2分別為一、二次側線圈匝數，V1為一次側線圈電壓VDD，V2為二次側輸出電壓。二次側電壓幅值大小如式3.2的計算公式，經過二極管1N4007整流和電容濾波后，輸出穩(wěn)定的控制電壓。集成電路的電源電壓VCC在起振時，可由設備電源VDD產生，當起振完成后可由通過電壓變換電路采用變壓器二次側的一路電壓VCC3為振蕩電路提供電源。

（3.1）

（3.2）

圖3.1控制電壓的生成電路

4過壓欠壓檢測電路

過電壓與欠電壓檢測電路利用圖3中生成的VCC3作為控制電源為運算放大器LM2904提供電源，如圖4.1所示。用TL431生成基準電壓2.5V，運算放大器LM2904正反饋連接提供兩個相互獨立的比較器。當電壓VDD為380V時，根據電阻R128、R127和R116分壓，根據式4.1可計算輸入到LM2904的第3腳上的電壓值為2.44V。如果VDD小于380V，比較器輸出為低電平0V，二極管D117截止，第二個比較器的負端為2.5V；如果電壓VDD同時大于260V時，由電阻R130、R131和R147的分壓根據式4.3可計算比較器正端電壓大于2.5V，比較器輸出為高電平，二極管燈亮，如果電壓VDD小于260V時，則比較器輸出為低電平；如果VDD電壓大于380V時，第一個比較器輸出高電壓，D117二極管接通，第二個比較器負端為高電平，則輸出低電平。圖4中OUTPUT輸出控制振蕩器的控制電壓，高電平有效。所以無論欠壓或過壓振蕩器都無法起振，開關電源不工作。

（4.1）

（4.2）

圖4.1過電壓欠電壓檢測電路

5振蕩電路

振蕩電路中采用集成元件TL494生成控制脈沖，TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需要的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。當圖4.1中OUTPUT端輸出高電平時，圖3.1中VCC2為振蕩電路提供控制電源。

圖5.1 振蕩電路的連接

圖5.1所示為振蕩電路的連接原理圖，當VCC2上電后在TL494的第9腳上就有振蕩脈沖產生。TL494內置了線性鋸齒波發(fā)生器，振蕩頻率可通過外部的電阻R259和電容C216由5.1式計算出振蕩器的振蕩頻率為55KHZ，輸出脈沖的振蕩頻率可由式5.2計算，在本電路中振蕩電路輸出的脈沖頻率為27.5KHZ。振蕩脈沖經過NPN三極管由輸出端口PULSE1和PULSE2輸出脈沖，再由功率放大控制場效應管使VDD在變壓器的一次側上生成振蕩電流。控制電壓由外部輸入，直接將TL494第14引腳上的參考電壓輸入到誤差比較放大器的正端。在圖5中，INPUT端為控制信號輸入端，當本裝置的輸出電壓過大時，將輸出圖中OUTPUT和INPUT由光耦連接，這樣可直接控制振蕩電路。

（5.1）

（5.2）

6輸出電壓整流濾波和電壓檢測

6.1 輸出電壓整流濾波

在電源電壓在變壓器的一次側線圈產生振蕩電流后，變壓器的二次側線圈則產生同樣頻率的電壓，電壓大小與變壓器線圈兩側的匝數乘正比，輸出電壓的幅值大小可根據式3.2和式3.2計算。二次側電壓經過整流濾波后得到穩(wěn)定的電壓輸出。輸出電壓通過整流濾波電路轉變?yōu)橹绷鞣€(wěn)定的直流電壓，為了增大輸出電流，本裝置采用將變壓器的雙線圈并聯(lián)輸出。首先經過四個二極管進行全波整流，然后由電感和電容組成的電路進行濾波。為了提高濾波效果，增大電容的容量采用多個電容并聯(lián)的形式，可得到穩(wěn)定的電壓輸出。

6.2輸出電壓檢測

此部分只有整流濾波電路還無法得到想要的電壓值，輸入電壓的變化將影響輸出電壓的大小。此時尚需要電壓檢測電路，將輸出電壓反饋到振蕩系統(tǒng)中，進行實時調整振蕩波形。輸出電壓與由TL431組成的標準電壓比較，將結果通過光耦隔離反饋到變壓器一次測的振蕩電路上，調整TL494的振蕩脈沖變比。使輸出電壓保持在48V。

7試驗與結論

7.1試驗

在試驗過程中，由于采用了場效應管作為開關管，它的輸入電阻很大，在柵極和源極之間加上很小的電壓即可將它的漏極和源極導通，使用方便；另外柵極和漏極之間電容很小，即使很少的靜電也會形成很高的電壓，將場效應管擊穿。在實驗過程中為了增加可靠性在柵極和漏極之間通過連接穩(wěn)壓管來消除靜電。另外裝置功率較大，變壓器要進行有效的散熱，本裝置通過導熱膏給變壓器加散熱器進行有效散熱。在設計PCB的過程中也要注意到元器件的布局和封裝有利于散熱和焊接，以及走線的寬度。

7.2結論

此DC/DC電源已經安裝調試完成，輸入電源的過壓欠壓保護有效，經過多次帶載在輸出10A額定電流時進行長時間的試驗，沒有出現故障。用示波器進行電壓波形的檢測，輸出DC48V電壓穩(wěn)定，輸出紋波小于1V。通過絕緣測試，內部與殼體的電阻大于20M。裝置效率大于90%。本裝置適合在基站中為設備提供DC48直流電源，以及其他的一些直流供電場合，接線方便；輸入電壓除了直流電壓以外，也可以采用AC220V市電作為輸入電源。

參考文獻

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