建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計與實現(xiàn)

李斌+孫偉

摘 要： 為了對開關(guān)電源進行節(jié)能設(shè)計，提高輸出功率，降低電能損耗，提出一種基于并聯(lián)諧振阻抗匹配的建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計方法。首先構(gòu)建開關(guān)電源的總體設(shè)計模型，電源硬件設(shè)計模塊主要含功率放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、無源高通濾波器和動態(tài)增益控制模塊，設(shè)計電源節(jié)能的等效電路圖，采用模塊化設(shè)計方法進行建筑用開關(guān)電源的電路設(shè)計，采用并聯(lián)諧振阻抗匹配方法提高輸出功率增益，降低電能開銷，實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。測試結(jié)果表明，采用該方法進行建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計，具有更高的輸出增益，帶載能力更好。

關(guān)鍵詞： 建筑； 開關(guān)電源； 節(jié)能設(shè)計； 輸出增益； 高通濾波器

中圖分類號： TN86?34； TM43 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）24?0184?03

Abstract： In order to realize the energy saving design of the switching power supply， improve the output power and reduce the electric energy loss， an energy saving design method of switching power supply based on parallel resonant impedance matching is proposed for construction industry. The overall design model of the switching power supply is constructed. The hardware design module of the power supply includes the power amplifier， A/D converter， passive high?pass filter and dynamic gain control module. The equivalent circuit diagram of energy saving design for the power supply was designed. The modular design method is used to design the circuit of switching power supply for construction industry. The parallel resonance impedance matching method is adopted to improve the output power gain， reduce the electric power consumption， and realize the energy?saving optimization. The test results show that the method used for the energy saving design of the switching power supply for construction industry has high output gain and strong load capacity.

Keywords： building； switching power supply； energy saving design； output gain； high?pass filter

0 引 言

近年來，電源技術(shù)和電能優(yōu)化傳輸技術(shù)得到快速發(fā)展，同時也催生了建筑電氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，建筑用開關(guān)電源的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)建筑內(nèi)部電源供電優(yōu)化節(jié)能的重要組件。通過對開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計，結(jié)合雙向流動的三相逆變器使得功率場效應(yīng)管（MOSFET）產(chǎn)生的感應(yīng)電能能夠有效輸出到電源終端，提高輸出功率增益。開關(guān)電源是利用電氣自動化控制技術(shù)，進行開關(guān)管開通和關(guān)斷控制的電氣控制設(shè)備，開關(guān)電源一般采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC進行輸出功率控制，實現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)換和零電壓轉(zhuǎn)換（Zero?Voltage?Transition，ZVT）[1]。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率等優(yōu)點在建筑電氣節(jié)能控制中得到廣泛應(yīng)用，研究建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計方法，在促進節(jié)能減排，降低能源損耗方面具有重要意義，相關(guān)的設(shè)計方法受到人們的極大重視。本文研究一種基于并聯(lián)諧振阻抗匹配的建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計方法，通過對開關(guān)電源的硬件電路設(shè)計和節(jié)能控制模型設(shè)計，實現(xiàn)開關(guān)電源節(jié)能設(shè)計優(yōu)化。

1 設(shè)計原理與總體構(gòu)架

本文設(shè)計的建筑用開關(guān)電源主要由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部分組成[2]，其中，主電路主要實現(xiàn)沖擊電流檢測、輸電電流濾波和整流控制以及逆變控制等功能，根據(jù)負載需要設(shè)計逆變電路，采用AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器進行反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出[3]。根據(jù)上述設(shè)計原理，構(gòu)造本文設(shè)計的建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 等效電路圖設(shè)計與電路分析

根據(jù)圖1構(gòu)造的總體結(jié)構(gòu)模型，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET進行開關(guān)電源的適配器設(shè)計，基于分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）的節(jié)能電源設(shè)計方案進行開關(guān)電源的節(jié)能控制設(shè)計，構(gòu)造開關(guān)電源的等效電路示意圖如圖2所示。

圖2所示的開關(guān)電源等效電路圖采用的是DCS分散控制方法，構(gòu)造T型等效電路圖，輸入220 V的初始電源接入，濾波電容采用DC 380 V左右電壓供電，PWM模塊為UC3843，啟動腳Vstart/control，得到開關(guān)電源初級側(cè)的輸入電壓為：

式中：，為發(fā)射頻率和輸入初級側(cè)的自感，有效信號的載波相位支持片外同步或異步傳輸能力；為繞組之間的互感；，為初級側(cè)和次級側(cè)電壓；和為靈敏度（動作電壓）參數(shù)，由濾波器的頻率響應(yīng)得知開關(guān)電源的耦合系數(shù)為：

由放大器的動態(tài)范圍計算接收機內(nèi)部濾波器的互感值，其中，通頻帶應(yīng)設(shè)計為100～2 000 Hz，在無直流電壓輸出的情況下，整流二極管擊穿，電壓輸出為：

在有負載情況下，各級直流電壓具有高耦合性，電源的控制電路的漏感小于濾波電容漏電輸出。通過諧振電路進行多模控制，在諧振工作點附近開關(guān)管的工作不穩(wěn)定，對此，在進行開關(guān)電源的逆變器設(shè)計中，采用如下約束式進行傳輸效率控制：

檢查電源輸入端逆變功率開關(guān)管，建立包含直流輸出的高壓濾波電解模型，考慮電源的工作環(huán)境溫度[4]，在電源的諧振點附近將電流波形視為近似正弦，得到電源輸出的諧振角頻率和阻抗為：

引入過電壓保護（OVP）功能，確定輸入/輸出電壓規(guī)格，當系統(tǒng)工作在諧振點附近，建筑用開關(guān)電源的逆變電壓為：

根據(jù)以上設(shè)計，得到開關(guān)電源的次級側(cè)輸出電壓和次級側(cè)電流的關(guān)系模型描述為：

采用并聯(lián)諧振阻抗匹配方法提高輸出功率增益，得到開關(guān)電源濾波電容的借電電壓為：

次級側(cè)電流為：

考慮對電源進行過電壓保護（OVP）、過溫度保護（OTP）[5]，本電路中加入動態(tài)范圍25 dB 的AGC，得到諧振電流輸出電流和輸出電壓為：

3 電源模塊化設(shè)計

采用模塊化設(shè)計方案進行建筑用開關(guān)電源電路設(shè)計，分別對開關(guān)電源功率放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、無源高通濾波器和動態(tài)增益控制模塊[6]設(shè)計，描述如下：

（1） 功率放大器。功率放大器是實現(xiàn)開關(guān)電源的輸出功率放大功能，放大倍數(shù)應(yīng)該大于50 000倍，采用兩級放大器進行功率放大器設(shè)計，使用雙運放器件來實現(xiàn)，得到設(shè)計電路如圖3所示。

（2） A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器采用四級A/D轉(zhuǎn)換晶振設(shè)計，把檢波器輸出的交流信號，調(diào)整輸入級信號幅值大小，實現(xiàn)開關(guān)能源的節(jié)能設(shè)計要求。

（3） 無源高通濾波器。高通濾波器設(shè)計是實現(xiàn)電流整流控制和干擾濾波，采用CMOS工藝制造的七階橢圓函數(shù)電容濾波器設(shè)計無源高通濾波器，設(shè)計指標滿足通帶內(nèi)紋波<0.1 dB，阻帶衰減>51 dB（當f>1.3 fc 時），負載阻值不能小于10 kΩ，在濾波器輸出端外接晶振輸入端（通常還需并接10 MΩ的電阻），增大驅(qū)動能力。

（4） 動態(tài)增益控制模塊。動態(tài)增益控制模塊采用并聯(lián)諧振阻抗匹配方法提高建筑用開關(guān)電源的增益控制和節(jié)能能力。采用3個多通道緩沖串口McBSPs進行動態(tài)增益控制，經(jīng)DMA 控制器接入內(nèi)存，通過對六個輸入端的設(shè)置同步脈沖進行外部脈沖源驅(qū)動，完成開關(guān)電源設(shè)計。

綜上分析，得到本文設(shè)計的建筑用開關(guān)電源的電路集成設(shè)計圖如圖4所示。

4 實驗測試

在對本文設(shè)計的建筑用開關(guān)電源進行測試中，通過分析電源逆變器的輸出電壓、輸出電流、次級側(cè)電壓等參量分析其節(jié)能性能，設(shè)定功率放大器的截止頻率=2 905 Hz，直流信號在1.2～1.4 V之間，起控點設(shè)在，得到輸出性能曲線如圖5所示。

分析圖5結(jié)果得知，采用本文方法設(shè)計的開關(guān)電源具有較好的輸出指標表現(xiàn)，功率和電壓的輸出增益較高，通過節(jié)能設(shè)計提高了電源系統(tǒng)的帶載能力。

5 結(jié) 語

為了提高建筑用開關(guān)電源的輸出功率，降低電能損耗，提出一種基于并聯(lián)諧振阻抗匹配的建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計方法。進行電路設(shè)計分析，重點對開關(guān)電源的功率放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、無源高通濾波器和動態(tài)增益控制等模塊進行了詳細設(shè)計，采用并聯(lián)諧振阻抗匹配方法提高輸出功率增益，降低電能開銷，實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。電路調(diào)試結(jié)果表明，采用該方法進行建筑用開關(guān)電源的節(jié)能設(shè)計，具有更高的輸出增益，帶載能力更好，具有實用價值。

參考文獻

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