一種帶UPS功能的反激式電源設計

2021-08-26 08:13:46湯前進張修德付進學

通信電源技術 2021年8期

羅義，湯前進，張修德，付進學

（武漢華中數控股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

隨著電子制造技術的進步，數控裝置和通信設備得到飛速發展，這些設備內部往往需要采用直流穩壓電源供電，很多關鍵的設備還需要不間斷電源，以確保突發斷電時設備可以及時保存數據，避免數據信息丟失。電源技術發展到今天，己融匯了電子、功率集成、自動控制、材料、傳感、計算機、電磁兼容以及熱工等諸多技術領域的成果，從多學科交叉的邊緣學科成長為獨樹一幟的功率電子學[1]。開關電源作為一種高效、高性能的電源，己廣泛用于家用電器、電子計算機以及變頻器等電子設備中[2]。本文設計了一種帶UPS功能的反激式電源，其結構簡單可靠，成本低廉，在掉電時能為設備短時間供電[3]。

1 帶UPS的反激式電源整體方案設計

本電源以反激拓撲架構的電路實現80 W/24 V輸出，具體是將220 V的交流輸入電壓整流濾波后經高頻變壓器隔離轉換輸出為24 V的直流電壓提供給終端設備。在220 V交流電壓突然中斷時，開關電源立即輸出一個AC掉電信號給終端系統，并啟動超級電容電路及內部的BOOST升壓電路繼續提供持續穩定的電壓給終端系統設備保存數據及其他需要。

帶UPS的反激式電源主要包括EMI整流濾波電路、反激式高頻隔離主回路、輸出整流濾波電路、采樣反饋電路、PWM控制保護電路、超級電容均壓電路及BOOST升壓電路等。結構示意如圖1所示。

圖1 帶UPS的反激式電源結構圖

2 電源電路設計與實現

2.1 EMI整流濾波電路設計

開關類電源在工作時會產生有害的高頻噪聲，影響連接在相同電源線上的電子設備正常運行，因此在EMI整流濾波電路中引入共模電感的設計，具體如圖2所示。

圖2 EMI整流濾波電路

2.2 反激式高頻隔離式主回路設計

根據輸入電壓范圍、變頻器工作頻率、輸出功率以及輸出電壓等電源性能指標，設計反激式高頻隔離主回路。

根據使用功率選擇EER35磁芯，滿足設計要求，其中變壓器原邊匝數為42，當輸出電壓為24 V時，供電繞組匝數為9。超級電容為兩只串聯，電容規格為25 F/2.7 V，所以必須提供大于5 V的電壓，再除去二極管的1 V壓降，超級電容供電繞組所需最低電壓為6 V。超級電容供電繞組匝數為：

式中，N超級電容為超級電容供電繞組匝數；Uo為超級電容供電電壓；Ud為整流二極管管壓降；Dmax為最大占空比；Np為原邊匝數；Umin為最小輸入電壓。

輔助電源繞組為主芯片供電，已知TI3844的啟動電壓為16 V，同理確定輔助供電繞組匝數為7匝。

計算原邊電感量為：

式中，Δi為調整氣隙；Pin為輸入功率，一般根據輸出功率和輸出效益估算，本文為95 W；ton為開關導通時間：T為開關周期；iavg為輸入平均電流值；Lp為原邊電感量。考慮短路時電感飽和問題，應適當提高Δi調整氣隙。

確定氣隙為：

式中，α為磁芯氣隙；μr為空氣中的導磁率；A為磁芯有效截面積。

由上述分析可知，當磁芯的磁導率很高時，忽略磁阻對電感的影響，采用工程計算電感量比精確計算低，一般采用調節氣隙獲得需要的電感量[4]。

2.3 超級電容電路設計

作為一種新型的儲能元件，超級電容因其充電快速、循環壽命高、功率密度高、能量轉化率高以及超低溫特性好等特點被廣泛應用[5,6]。本文超級電容電路設計如下。

2.3.1 均壓電路設計

超級電容均壓電路如圖3所示，當給電源正極VCC3和電源負極GND端施加電壓時，電容CE9、CE11兩端電壓開始緩慢上升，電壓升至集成運算放大器U9A正常工作電壓時，電路開始進入自調整狀態，達到均壓效果。

2.3.2 超級電容穩壓、恒流充電電路

穩壓恒流充電的主要特點是具有較大的適應性，可以任意選擇充電電流。由于超級電容的充電電流可選擇范圍較大，因此可以依據不同應用需求及超級電容自身狀態進行優化控制[7,8]。超級電容穩壓及恒流充電電路如圖4所示。

如圖4所示，超級電容穩壓及恒流充電電路主要由調整管Q2、Q3，采樣電阻R18、R22及由TL431外圍組成的Uref基準電壓電路組成。電路中輸出電壓UCC3為：

圖4 超級電容穩壓及恒流充電電路

當由于某種原因使輸出電壓UCC3電壓升高（降低）時，采樣電阻將這一變化趨勢送到U1A的反相端，并與同相輸入端的電壓Uref2進行比較放大，調整三極管Q3基極電位降低（升高），同時引起調整管Q2柵極電位的升高（降低）。因為Q2是P溝道MOS管，Q2柵極電位的升高（降低）會導致輸出電壓UCC3必然降低（升高），從而使UCC3得到穩定的電壓。

2.4 BOOST升壓電路設計

直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變換電路稱為升壓變換電路，又叫BOOST升壓電路[9,10]。本文BOOST升壓電路如圖5所示，在開關管Q7的導通期間，二極管D15反偏截止，電感L2儲能，輸出濾波電容給負載端提供能量。在開關管Q7的關斷期間，二極管D15導通，電感L2經二極管D15給濾波電容充電，并向負載端提供能量，所用芯片為TI公司提供的型號為LM3481工業級電源控制芯片。

2.5 PWM控制及保護電路設計

開關電源的核心電路就是PWM控制電路，本方案中采用TI公司的PWM脈寬調制芯片UC3844。PWM控制及保護電路如圖6所示，采樣反饋電路如圖7所示。開機后主控制芯片7腳接收到電壓信號，在電壓瞬時值到16 V，啟動電流達到0.5 mA時，芯片開始工作。在6腳輸出脈沖寬度小于50%、頻率為95 kHz的PWM波給主回路中的開關器件及反激變壓器，在信號開通時變壓器儲存能量，關斷時通過變壓器副變繞組及整流濾波電路釋放能量，輸出采樣電路檢測到輸出端的電壓信號。

3 實驗驗證

在輸入220 V交流電壓時，開關電源正常工作，輸出穩壓精度是開關電源檢定的重要指標之一，其好壞會嚴重影響到電源的質量。將輸入電壓設為額定值，用電子負載儀模擬負載電流0～3.5 A，步進為0.5 A。當輸出電壓達到穩態后，10 s內測量到輸出電壓，其輸出電壓變化率應≤1%。輸入220V交流電壓時的輸出穩壓精度測試表如表1所示。