國產化2kW高壓恒流電源的設計

常伯儀

（天津力神特種電源科技股份公司，天津 300384）

0.引言

恒流電源在電力拖動、半導體器件檢測、便攜式移動設備等工業醫療領域均有廣泛的應用，本設計所實現的是一種采用動力電池電源作為輸入源，完成電壓變換，實現恒流輸出功能的高壓恒流電源。并具有通過CAN總線受控于外部控制電路組件，實現開啟、關閉輸出，以及電流輸出強度設置，工作狀態讀取等控制功能。

1.電路功能模塊劃分及主拓撲功工作原理塊介紹

通過對設計需求及應用場景的具體分析，電源的技術特征主要有輸入輸出隔離、恒流可調、100%國產化、高可靠性、散熱無風扇、中等功率輸出等。電路的主要功能是將輸入直流電轉換為系統需要的可調直流恒流源，同時電源具備CAN通信以及完善的保護功能，難點在于如何在100%國產化器件的要求下，實現能夠可靠運行且具有較高能量轉換效率[1]。為了實現這些功能，產品采用模塊化設計思路，總共由主功率模塊、控制電路模塊和輔助電源模塊3個功能模塊組成，內部功能組成框圖如圖1所示。

圖1 功能組成框圖

1.1 主功率模塊

主功率模塊的功能是進行電壓電流變換以及功率傳輸，主要由輸入濾波、尖峰抑制及防浪涌電路、DC/DC變換器、驅動電路、防反接與防反流電路、輸出濾波電路等部分組成。

1.2 控制電路模塊

控制電路的主要功能是實時監控主電路工作狀態，動態調整反饋環路，保障主電路能夠按照設定值準確可靠的運行，同時控制電路還要完成內部自檢、對外通信等功能。控制電路的組成包括正激PWM控制電路、電壓電流信號調理電路、通信電路、MCU控制系統電路等部分組成。

1.3 輔助電源模塊

輔助電源的主要功能是為控制電路模塊以及主功率模塊提供穩定可靠的低壓電源。為了提高內部輔助電源的可靠性，該部分電路采用主從供電方式，由高壓輸入變換得到的輔助電源作為主要輔助電源，由低壓輸入變換得到的輔助電源作為后備電源，后備電源通過二極管連接到主要輔助電源上。正常工作時內部控制模塊供電由主要輔助電源提供，當主功率模塊發生故障、主輔助電源發生故障或是高壓輸入消失時，內部輔助電源由后備電源提供。

2.主功率模塊

能夠實現該型電源需求的拓撲多種多樣，每一種拓撲都有自己的優缺點，本設計把完全國產化及高可靠性作為最主要的選擇標準，選擇交錯并聯雙管正激電路來設計該型電源。圖2是主電路拓撲結構，主控芯片采用EG3846 PWM控制器由深圳深圳屹晶微電子生產。

圖2 主功率原理圖（交錯并聯雙管正激拓撲）

2.1 開關頻率選擇

較高開關頻率會使磁性元器件及電容的體積下降，重量降低，但是較高的開關頻率會帶來較大的開關噪聲。本方案中該型恒流電源的開關頻率選擇100kHz。由于交錯并聯雙管正激的拓撲優勢，副邊電感和電容的工作頻率為200kHz，這樣在保證相對較小的開關噪聲下，可以獲得相對較小的體積重量[2]。

2.2 變壓器計算選型

2.2.1 確定變壓器匝比

取最大占空比為0.45，副邊二極管管壓降為0.8V，計算過程如下：

經過計算，變壓器匝比至少為1:0.85，結合變壓器繞制的工程需要，取變比為1:1。

2.2.2 確定磁芯

磁芯選擇采用KG法，經過迭代計算，磁芯選擇東磁的ECW64平面磁芯作為功率變壓器磁芯，磁芯材質為DMR44。

2.2.3 變壓器工程方案

為了盡可能提高功率密度，減少體積，本設計方案采用平面變壓器方案。原副邊繞組出線單獨引出，磁芯外層加金屬屏蔽導熱罩，兼顧散熱與電磁兼容要求。

由于采用交錯并聯拓撲，每一相只承擔一半的輸出功率，計算MOS管電流的峰值、平均值、有效值，根據拓撲特性確定MOS管耐壓。計算過程如下：

根據上述計算，按照元器件降額標準（SⅠ，TⅠ），在綜合對比了幾家國產MOS管廠家的產品后，選擇龍騰半導體的LSB65R041GF產品作為主開關管，為了進一步提高效率，采用雙管并聯方式。

3.控制電路模塊

3.1 控制電路概述

控制電路的組成包括供電電路、正激PWM控制電路、電壓電流信號調理電路、通信電路、MCU控制系統電路等部分，如圖3所示。

圖3 控制電路框圖

3.2 微處理器電路

微處理器電路采用國產GD32系列單片機實現，主要用于控制信號采集，接收處理通信模塊發出的指令，并對配置信息，狀態信息等進行存儲，同時完成AD模擬量采集、自檢、保護等功能。單片機作為主處理器，完成數據交換，接收/執行指令，存儲等功能，為了進一步增強功率模塊的容錯能力和可靠性，設計了看門狗電路。處理器電路如圖4所示。

圖4 處理器電路

4.結論

通過實際電路組裝調試，該電路具有體積小、重量輕、可靠性高等特點，選用低功耗特性的控制器件，自身消耗的電流較低，且利用其智能化特性可替代許多分立器件，有利于進行電源管理、滿足智能化特性及提高產品的可靠性等特點。通過分析產品的功耗分布，選用低電壓、低功耗的器件代替功耗較大的器件；在產品設計中，選用的邏輯電路、單片機及外圍電路等均為CMOS工藝的低功耗器件，相對于TTL工藝的此類器件，是降低產品功耗最直接的辦法。既滿足低功耗設計又滿足高精度高速度的設計，產品的各項功能和性能指標均滿足設計指標要求。