智慧路燈控制系統(tǒng)的AC-DC電源設計

陳 星，周 峰，許子航，劉朔源

（揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

近年來，城市智慧路燈被大范圍地推廣使用，它已經(jīng)成為重要的物聯(lián)網(wǎng)信息采集來源，是智慧城市的一個重要組成部分和重要建設入口。控制系統(tǒng)的供電電源作為智慧路燈設計的核心部分，目前仍存在效率低、防雷等級低、壽命短及可靠性差等問題。

本文針對上述問題，設計了一種抗EMI的AC-DC開關電源，電源輸入為220 V/50 Hz工頻交流電，輸出一路直流15 V和一路直流5 V。輸出電壓5 V通過光耦TLP185和穩(wěn)壓芯片TLV431進行直接反饋，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。15 V輸出電壓的穩(wěn)壓控制是通過變壓器次級線圈的匝比調節(jié)控制。

1 電源系統(tǒng)設計

本設計主電路采用的是單端反擊拓撲結構。對于220 V-AC輸入，通過EMI濾波器增強抗電磁干擾能力，再通過全橋整流變成直流輸入，兩路輸出分別為15 V/1 A和5 V/2 A。相比傳統(tǒng)開關電源設計，本文采用了TopSwitch-HX交流/直流轉換控制芯片TOP253PN，把高壓功率MOSFET、PWM控制器集成到單個CMOS芯片中。為了消除變壓器漏感引起的變壓器原邊尖峰電壓，電源設計時在變壓器原邊端并聯(lián)了由電阻、電容和二極管組成的RCD吸收電路。主電路如圖1所示。

圖1 主電路

為了提升電源的電磁抗干擾性能，有效濾除電源輸入端的高次諧波電壓和同相干擾電流，在電源的輸入端進行了EMI電路設計。組成電源EMI濾波器的核心元件為：共模電感、X和Y電容。具體電路如圖2所示。

圖2 EMI濾波電路

輸出穩(wěn)壓反饋控制電路由光耦TLP185GR和TLV431A等元件組成。變壓器的其中一路次級繞組的輸出電壓經(jīng)過二極管D8和電容C32整流濾波后提供偏置電壓，電壓給到光耦副邊的接收管， 通過線性光耦為芯片TOP253PN的控制引腳2腳提供外部控制電流。

穩(wěn)壓器TLV431A提供2.5 V電壓基準源，采樣其中一路的5 V輸出電壓，通過電阻和串聯(lián)分壓，與基準電壓2.5 V比較，將電壓誤差通過光耦TLP185GR傳送給TOP253PN的控制引腳2腳，產生占空比控制MOS管的通斷，可實現(xiàn)高精度輸出穩(wěn)壓控制。電路如圖3所示。

圖3 控制電路

2 電路參數(shù)設計

2.1 電壓控制回路參數(shù)設計

電源中的輸出電壓反饋控制部分是由電源控制芯片TOP253PN、穩(wěn)壓器TLV431A和光耦TLP185GR等主要器件組成。根據(jù)器件手冊可知，TLV431A作為電壓基準源，提供=2.5 V的參考電壓和=0.15 μA的參考端電流。為了可靠運行，穩(wěn)壓器通常利用串入限流電阻，使得實際電流在參考電流100倍以上，由此根據(jù)公式（1），將取值10 kΩ。

根據(jù)串聯(lián)電阻分壓原理，本設計中利用TLV431A作為基準電壓源提供2.5 V電壓，結合電阻和電阻分壓特性可得式（2），取值為10 kΩ。

由TLV431A數(shù)據(jù)手冊可知，器件正常工作電流必須要達到0.1 mA，因此有：

根據(jù)光電耦合器TLP185GR的數(shù)據(jù)手冊可知，該款光耦的電流傳輸比CTR為80%～160%，導通壓降為1.2 V，正向導通電流為5 mA，故：

由公式（3）和（4）可得，=150 Ω，=1 kΩ。

2.2 高頻變壓器設計

2.2.1 變壓器磁心選擇

根據(jù)窗口面積法（AP法），計算參數(shù)AP公式如下：

其中：為窗口系數(shù)，取0.4；為波形系數(shù)，方波取4；為變壓器工作頻率，取150 kHz；為工作磁通密度，取1.4 T；為繞組電流密度的比例系數(shù)，取400 A/cm；=20 W。通過計算得AP=0.32 cm，根據(jù)磁心AP值查表，本設計高頻變壓器磁心選擇EE25/19錳鋅鐵氧體。

2.2.2 變壓器繞組匝數(shù)

原邊一次側繞組匝數(shù)為：

式中，Δ為磁心工作磁感應強度變化值。根據(jù)式（6）計算得，原邊匝數(shù)=97匝。

根據(jù)變壓器原邊、副邊匝數(shù)關系，則有副邊匝數(shù)為：

由式（7）計算得，反饋繞組的線圈匝數(shù)=15匝，15 V輸出端線圈匝數(shù)=9匝，5 V輸出端線圈匝數(shù)=5匝。

2.2.3 高頻變壓器氣隙計算

為了避免高頻變壓器出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，通常在一對磁心接觸面留有一定氣隙，間隙大小的計算公式為：

式中：為高頻變壓器一次側主繞組的峰值電流。由公式（8）計算得，本文中高頻變壓器氣隙=0.22 mm。

3 試驗結果及波形

為了驗證設計，設置實驗條件如下：輸入電壓=220 V，開關頻率為150 kHz，輸出電壓分別為15 V和5 V；負載為實際負載，即智慧路燈中央控制器。實驗數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 實驗數(shù)據(jù)

從實驗結果來看，輸出電壓1，即15 V輸出電壓的平均值為15.1 V；輸出電壓2，即5 V輸出電壓的平均值為5.05 V。

為了驗證電源的電壓品質，對輸出電壓的紋波進行檢測，輸入端為市電220 V-AC，輸出電壓1紋波峰峰值為328 mV；輸出電壓2紋波峰峰值為228 mV。輸出電壓波形和輸出紋波分別如圖4、圖5所示。

圖4 兩路電壓輸出波形

圖5 兩路輸出紋波

根據(jù)樣機實測結果可知，本文設計的AC-DC開關電源的輸出電壓品質符合設計性能要求，能滿足實際工況應用。

4 結 語

本文設計了一款應用于智慧路燈控制系統(tǒng)的雙路輸出AC-DC開關電源。經(jīng)過實驗測試，該電源成功克服了傳統(tǒng)雙路輸出電源的防雷等級低、壽命短及可靠性差等弊端。該電源有輸出穩(wěn)壓性能好和輸出電壓品質高等優(yōu)點，具備良好的通用性。