船用開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)

鄭 元

(江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢430056)

0 引 言

船舶上，一般都是由220 V 或者380 V 的交流電進(jìn)行供電，但很多通信設(shè)備和自動化儀器需要直流電進(jìn)行供電，比如雷達(dá)一般都是由船用蓄電池進(jìn)行電能供應(yīng)。船用蓄電池的缺點(diǎn)包括需要頻繁充電、使用壽命低、需要經(jīng)常保養(yǎng)，而且當(dāng)蓄電池電量不足的時候，還會造成通信設(shè)備和自動化儀器不能正常工作，甚至直接損壞儀器設(shè)備。本文針對220 V 交流供電的船舶而設(shè)計(jì)的一款船用開關(guān)電流，通過電能變換技術(shù)把220 V 的交流電轉(zhuǎn)換為需要的24 V 直流，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄電池。此開關(guān)電源的性能參數(shù)為:開關(guān)電源的輸入是220 V 的交流電，開關(guān)電源的輸出是24 V 的直流電，輸出電流可以達(dá)到15 A，工作效率可以達(dá)到90%，文波電壓為0.1 V 左右［1］。

1 系統(tǒng)組成

開關(guān)電源的系統(tǒng)組成如圖1 所示，主要包括整流濾波模塊、控制模塊、顯示模塊等。其中整流濾波模塊是把220 V 的交流電通過隔離變壓器、整流電路、濾波電路轉(zhuǎn)換為脈動的直流電壓;控制模塊主要利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制場效應(yīng)管輸出直流電壓，并對場效應(yīng)管的電流進(jìn)行采樣，由電源芯片執(zhí)行過流保護(hù)功能，并對輸出電壓進(jìn)行取樣，同時進(jìn)行調(diào)整，然后通過光電隔離，然后傳遞給電源控制芯片。顯示模塊主要由鍵盤、單片機(jī)、液晶、AD轉(zhuǎn)換模塊、DA 轉(zhuǎn)換模塊，其中AD 轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)對開關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，DA 轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)對開關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。從而控制原邊輸出交變的電壓，然后由整流電路和濾波電路把脈沖變壓器的副邊輸出的脈沖的直流電壓變成比較理想的直流電壓，此外利用光耦TL431 光電耦合器形成負(fù)反饋的閉環(huán)回路，把開關(guān)電源的輸出電壓和輸出電流采樣到電源芯片UC3843 的電壓檢測引腳，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。此外，震蕩電路主要由電阻和電容構(gòu)成，通過改變電阻和電容的大小就可以改變震蕩電路的震蕩頻率，直到震蕩頻率與脈沖變壓器的頻率一樣，達(dá)到提高工作效率的目標(biāo)。3 個模塊共同組成開關(guān)電源，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一個反激式開關(guān)電源的整體功能［2］。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Components of system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整流濾波模塊

整流濾波模塊目前主要分為未隔離的主電路和已隔離的主電路。未隔離的主電路如圖2 所示，其輸出的電壓要比輸入電壓小。已隔離的主電路如圖3 所示，其輸入端口和輸出端口沒有直接相連，而是通過脈沖變壓器進(jìn)行磁偶合把電能傳輸?shù)胶竺嬉患壍碾娐贰．?dāng)晶體管飽和導(dǎo)通的時候，停止對外進(jìn)行電能輸出，它是通過控制脈沖變壓器的原邊實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)晶體管截止斷開的時候，會進(jìn)行電能輸出。由于已隔離的主電路能夠?yàn)楣β实陀?50 W 的電源供電，并且其輸出多路電壓的波形質(zhì)量比較高。綜合考慮，本文采用反激式的已隔離主電路。

圖2 未隔離的主電路Fig.2 Not quarantined power

圖3 已隔離的主電路Fig.3 Quarantined main circuit

電能變換方法主要有2 種，一種方法是利用PFM 技術(shù)對脈沖頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，它的的特點(diǎn)是脈沖的寬度是恒定的，通過調(diào)節(jié)開關(guān)的頻率就能改變輸出占空比。此外，它的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍比較寬，然而其缺點(diǎn)是對濾波電路有嚴(yán)格的要求，只有在比較寬的頻帶下才能運(yùn)行。另一種方法是采用PWM技術(shù)對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，它的特點(diǎn)是晶體管的開關(guān)頻率是恒定的，通過控制脈沖的寬度實(shí)現(xiàn)對脈沖占空比的控制，電能變換效率比較高，而且輸出電壓的紋波和干擾比較小。

綜合考慮，本文PWM 技術(shù)對電能進(jìn)行調(diào)制。為了提高開關(guān)電源的電能變換效率，精心設(shè)計(jì)了2 種方法。一種方法就是把脈沖變壓器的副邊輸出的能量進(jìn)行補(bǔ)償，從而抵消由于整流橋損失的能量，實(shí)現(xiàn)提高電能的變換效率。具體實(shí)現(xiàn)的部件可以是肖特基二極管，因?yàn)樗恼蚬ぷ鞯碾娔軗p耗很小，并且沒有關(guān)斷過程中的能量損失。另一種方法是把震蕩器的頻率與脈沖變壓器的頻率設(shè)計(jì)為一致，這樣能夠大大提高工作效率。此外，震蕩電路主要由電阻和電容構(gòu)成，通過改變電阻和電容的大小就可以改變震蕩電路的震蕩頻率，直到其震蕩頻率與脈沖變壓器的頻率一樣，達(dá)到提高工作效率的目標(biāo)［3］。

由于UC3843 的外圍電路的連線比較少，而且需要的元器件也不多，價格比較便宜，但是整體性能比較高，因此電源控制芯片選擇UC3843;開關(guān)功率管采用由于功率場效應(yīng)管的開關(guān)速度比較快，能忍受較高的溫度，耐壓也能夠符合要求，因此開關(guān)管選擇功率場效應(yīng)管P60NF06。

3)脈沖變壓器的選型

脈沖變壓器通過磁場進(jìn)行耦合隔離，把電能給濾波電路。原邊通過連續(xù)的工作電流所需要的電感值的計(jì)算公式為:

式中:U1min為脈沖變壓器初級線圈可以輸進(jìn)的直流電壓最小值;Ts 為功率管的開關(guān)周期;P 為脈沖變壓器輸出功率;η 為電能變換的效率。脈沖變壓器中磁芯氣隙的計(jì)算公式為:

式中:B 為鐵芯在運(yùn)行過程中的電磁感應(yīng)強(qiáng)度;SC是鐵芯的橫截面積;K 是最小輸出的功率與額定的輸出功率的比值。脈沖變壓器初級線圈的繞組匝數(shù)計(jì)算公式是:

初級線圈繞組和次級線圈繞組的匝數(shù)之比是:

式中:UD 為整流二極管兩端的電壓壓降;UO2為輸出電壓的大小;N2為次級線圈的匝數(shù)。按照上述方法，同理可以得到此外的線圈匝數(shù)之比。

通過以上分析，可以確定主電路中所有核心元?dú)饧饕獏?shù)，關(guān)鍵元器件的參數(shù)表如表1 所示。

表1 關(guān)鍵元器件的參數(shù)表Tab.1 Parameter table of key components

2.2 控制模塊

控制模塊主要由電源芯片UC3843 發(fā)出PWM 波去控制場效應(yīng)管的開通和關(guān)斷，脈沖變壓器的原邊與場效應(yīng)管串聯(lián)，從而控制原邊輸出交變的電壓，然后由整流電路和濾波電路把脈沖變壓器的副邊輸出的脈沖的直流電壓變成比較理想的直流電壓，此外利用光耦TL431 光電耦合器形成負(fù)反饋的閉環(huán)回路，把開關(guān)電源的輸出電壓和輸出電流采樣到電源芯片UC3843的電壓檢測引腳，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定［4］。

電源芯片UC3843 運(yùn)行頻率的計(jì)算公式為:

輸出電流為2 A，輸出電壓由一個值變到另外一個值時，輸出電壓的調(diào)節(jié)系數(shù)的計(jì)算公式為:

電能變換效率計(jì)算公式是:

其中，PO=UOIO，PIN=UINIIN

此外，控制模塊配備兩級的自我保護(hù)，一種保護(hù)功能是由單片機(jī)的軟件擔(dān)任對整個系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)責(zé)任，另一種保護(hù)功能由電源控制芯片UC3843 負(fù)責(zé)。

1)通過霍爾電流傳感器檢測開關(guān)電源的輸出電壓和輸出電流，然后交給運(yùn)算放大器進(jìn)行處理后，繼續(xù)交給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。通過把單片機(jī)作為主控器對輸出電壓和輸出電流進(jìn)行監(jiān)控，一旦負(fù)載電流大于所設(shè)定的值，輸出電壓自動拉低。同時，為了保護(hù)用電設(shè)備或者儀器不致于被損壞，單片機(jī)還需要負(fù)責(zé)控制繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源與負(fù)載的斷開工作，確保開關(guān)電源能夠持續(xù)供電。

2)電源芯片UC3843 持續(xù)供電的情況下，采樣電阻用于對開關(guān)電源的輸出電流進(jìn)行采樣，其兩端的最大電壓由芯片里面的偏差運(yùn)放控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。需要滿足的條件如下:

式中:UC為偏差運(yùn)放控制器的輸出電壓;IS為采樣電流;RS為采樣電阻。電源控制芯片UC3843 里面的電流檢測比較器的反相端把電壓固定在0.5 V，并對能夠采樣的電流進(jìn)行控制IS= 0.5 V/ RS。采樣電阻與電源控制芯片的3 腳之間，使用電阻和電容構(gòu)成一個濾波器，從而限制場效應(yīng)管開通過程出現(xiàn)的峰值電流，它的時間常數(shù)幾乎就是峰值電流的持續(xù)時間。

如果輸出電流大于3.4 A，開關(guān)電源就會與負(fù)載自動解除負(fù)載連接，直至解除，電源就能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。

2.3 顯示模塊和鍵盤模塊

圖4 單片機(jī)控制電路Fig.4 Control circuit of MCU

單片機(jī)控制電路如圖4 所示，單片機(jī)對鍵盤的按鍵進(jìn)行實(shí)時采樣，而且每個按鍵的代碼傳送至DA的轉(zhuǎn)換芯片，從而把數(shù)字量被轉(zhuǎn)換成模擬量，傳給電壓調(diào)整模塊，最終對開關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。單片機(jī)實(shí)時利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1543 實(shí)現(xiàn)模數(shù)采集功能，將采集到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，并控制數(shù)碼管對輸出電壓和輸出電流進(jìn)行顯示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)開關(guān)電源的流程圖如圖5 所示，主要包括系統(tǒng)初始化程序、電壓和電流采樣子程序、過流采樣子程序、顯示子程序、步長處理子程序、輸出電壓調(diào)整子程序等。其中，初始化程序負(fù)責(zé)對所有參數(shù)進(jìn)行初始化，采樣程序?qū)敵鲭妷汉洼敵鲭娏鬟M(jìn)行檢測［5］。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart of software

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1)實(shí)驗(yàn)方法

首先把所有功能模塊進(jìn)行連接，連接完畢之后把20 V 的交流電加入到開關(guān)電源的輸入端，同時用萬用表的直流電壓檔位檢測輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。然后利用萬用表的電流檔檢測開關(guān)電源的輸出電流范圍。并且讓輸出電流穩(wěn)定在4 A 左右，并調(diào)節(jié)U2由18 ～22 V 變化，測試出萬用表電壓檔測出輸出電壓的范圍。讓U2恒定在19 V，調(diào)節(jié)輸出電流IO由0 ～2 A，用萬用表的電流檔測量出輸出電壓的范圍。設(shè)定U2為12 V，UO為24 V，輸出電流IO為2 A，借助示波器查看紋波的峰－峰值。然后讓U2為15 V，輸出電壓UO為34 V，輸出電流IO為2 A，借助于萬用表的電壓檔測量出開關(guān)電源的輸入電壓，最后用萬用表的電流檔檢測出開關(guān)電源的輸入電流IIN。

2)試驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The test result

3)測試結(jié)果分析

開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);最大輸出電流為10 A，達(dá)到了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn);電壓調(diào)整率是0.21%，滿足了標(biāo)準(zhǔn);負(fù)載調(diào)整率是0.19%，滿足了標(biāo)準(zhǔn);紋波電壓的實(shí)際測量值是212 mV;開關(guān)電源的效率可以達(dá)到92%，達(dá)到了要求。

5 結(jié) 語

目前，船舶上的各種通信設(shè)備和儀器都需要直流進(jìn)行供電，因此船舶上會到處布置線路，對多功能的電源需求很強(qiáng)，本文設(shè)計(jì)的這款船用開關(guān)電源完全可以滿足要求。實(shí)際使用結(jié)果顯示，它的運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定，便于攜帶，減少船舶上的線路布置，并減少了電源布置的空間。

［1］王卉雋．船舶供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(11):146．

［2］楊曉靜．高頻開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2011．

［3］梅陽鳳．?dāng)?shù)字開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2011．

［4］李洪義，閻毓杰，吳宏悅．艦艇開關(guān)電源的低頻傳導(dǎo)干擾建模與仿真［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2009(4):142 －146．

［5］劉小虎，張?zhí)旌疲瑓菐h華．一種基于DSP 組合式中頻逆變電源的設(shè)計(jì)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2011(12):79 －81．LIU Xiao-hu，ZHANG Tian-hao，WU Kui-hua．Design of combined medium frequency power inverter supply based on DSP［J］．Ship Science and Technology，2011(12):79－81．