一種帶過載保護的開關穩(wěn)壓電源設計方案與實現(xiàn)

　　近年來，隨著我國農(nóng)產(chǎn)品需求量的增加，農(nóng)業(yè)自動化水平的提高，以及大量農(nóng)業(yè)機械、電氣照明和溫控設備的增加，農(nóng)業(yè)電耗逐年增加，生產(chǎn)成本不斷提高。隨著電子技術的迅猛發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源已作為一種較理想的電源為人們所使用，其運用功率變換器進行電能變換，能夠在滿足各種農(nóng)業(yè)用電的前提下，降低電耗，其高效節(jié)能可帶來巨大的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。然而當前的農(nóng)業(yè)用開關穩(wěn)壓電源，雖然體積小，效率高，但輸出電壓的紋波較大,難以保證輸出電壓高穩(wěn)定性，常常影響農(nóng)用機械和電氣設備的連續(xù)生產(chǎn)，反而增加了耗能。為此，本文提出一種新的帶過載保護的開關穩(wěn)壓電源設計方案，能為農(nóng)用大型機械和農(nóng)業(yè)照明設備電路提供穩(wěn)定的電源，具有比較廣闊的應用和發(fā)展前景。

　　方案論證

　　1、DC2DC主回路拓撲電路方案論證

　　目前，DC2DC主回路設計方案可考慮的方案有3種。

　　(1)單端正激式電路。該電路的電路原理圖如圖1所示。

　　圖1

　　該方案結構簡單，成本低，但變壓器鐵心易磁化，MOS管導通時向負載供電，變壓器并沒有實現(xiàn)充分利用，效率不高，而且輸出電壓紋波大。該方案實現(xiàn)簡單，目前為大部分農(nóng)業(yè)機械和電器設備采用，但難以保證穩(wěn)定持續(xù)的工作，應用效果并不理想。

　　(2)全橋整流式電路。圖2所示為全橋整流式電路。該方案采用了4個MOS管，工作時對管同時導通，半周期內(nèi)Q1、Q3導通，Q2、Q4截止，然后Q2、Q4導通，Q1、Q3截止。這樣的工作方式使每半周期都有2個MOS管來分壓，對MOS管的耐壓要求就降低了，適用于高壓場合，但由于使用了4個MOS管，使得損耗功率增加，開關損耗同時增加?？紤]到農(nóng)業(yè)機械一般功率較大，采用該方案必然降低電能利用率，導致大量的能耗損失。

　　圖2

　　(3)雙管推挽放大電路。圖3所示為雙管推挽放大電路。該方案采用了2個MOS管輪流導通，比采用4個MOS管損耗低，而且輸出電壓比單端方式的要穩(wěn)，為達到設計所需要的效率，本文選用了該方案。

　　圖3　　2、控制方法及方案論證

　　2.1、鍵控、穩(wěn)壓及顯示控制

　　常用的方案有2種。

　　(1)數(shù)字芯片方案。采用數(shù)字電路搭建控制平臺，用tlc4066與74ls07通過按鍵用74ls07計數(shù)，并通過4066來選通分壓電阻的電壓，輸入給PWM芯片，從而控制輸出電壓。用A/D采樣給數(shù)碼管顯示，但A/D控制不易實現(xiàn)而且顯示部分電路難以實現(xiàn)。

　　(2)嵌入式方案。采用51單片機小系統(tǒng)板對PWM芯片進行控制，并對A/D和D/A進行控制和采樣。采用以7279為核心的按鍵掃描顯示模塊進行鍵控和顯示。該方案編程比較容易，控制很方便，顯示也很容易實現(xiàn)。經(jīng)綜合比較考慮，筆者選擇采用嵌入式解決方案。

　　2.2、PWM芯片的選取

　　TL494是很常用的PWM芯片，但是外圍電路復雜，缺少圖騰柱式輸出，且驅(qū)動能力不強。而SG3525芯片的驅(qū)動能力要比TL494強，性能穩(wěn)定，并且以圖騰柱式輸出，驅(qū)動變壓器設計簡單，外圍電路比TL494簡潔。

　　因此，PWM芯片的設計中選用SG3525。

　　2.3、過流保護自動控制

　　(1)純硬件實現(xiàn)自動保護控制。在負載端采樣電壓，通過一個比較器輸出一個電平控制可控硅的導通，由可控硅的狀態(tài)來控制SG3525的shutdown端，從而控制輸出狀態(tài)。當負載正常時可控硅關斷，shutdown端為低電平，芯片正常工作；當負載過流時，通過取樣電阻給比較器輸出一個高電平，高電平通過一個電容送到一個與可控硅并聯(lián)的三極管基極，使三極管導通，從而關斷可控硅。該方案邏輯關系很強，參數(shù)選擇嚴格，不容易實現(xiàn)，不適用于該系統(tǒng)。

　　(2)軟件實現(xiàn)自動保護控制。在負載端采樣電壓，通過單片機來查詢負載電平的高低控制SG3525芯片的shutdown端口來控制輸出，從而達到保護的目的。該方法簡單，且為后續(xù)智能化過載保護的實現(xiàn)提供基礎。通過對該電源電路進行方案論證，該系統(tǒng)的原理圖如圖4所示。

　　提高效率方法及解決方案

　　由于損耗主要來源于器件本身以及一些開關元件的寄生電阻和進行開關操作時的開關損耗，因此在設計電路時要盡量減少損耗元件的個數(shù)，選用耗能小的元件，采用比較理想的開關元件;并且變壓器的選取和繞制也對效率有影響。

　　1、功放電路解決方案

　　為了降低損耗只能選用2個晶體管，并且要求它本身的導通壓降很低，降低了損耗，并且開關速度很快，讓開關在瞬間完成，才能夠最大限度地降低開關損耗和開關噪聲。

　　2、變壓器解決方案

　　選用EI變壓器，設置匝數(shù)比為10∶32，線徑0.7mm，初級雙線并繞，次級單線繞制，這樣能最大限度地提高效率。

　　3、硬件設計

　　3.1、開關管的選取

　　由于是PWM芯片直接驅(qū)動，因此驅(qū)動電流不大，考慮到效率問題，選用IRF540。它是電壓控制器件，要求驅(qū)動電流很低，并且開關速度很快，導通電阻很小，這樣既減少了開關損耗，也降低了本身寄生電阻的損耗。

　　3.2、輸入整流二極管的選取

　　由于集成整流橋用于整流濾波，易引起整流管過熱，其輸出電壓過低，導致負載電壓不穩(wěn)。因此采用共陰極肖特基二極管取代。

　　3.3、輸出整流二極管的選取

　　考慮到效率要求，選用了肖特基二極管，速度快且壓降低。

　　3.4、變壓器的繞制方法

　　選用EI變壓器，工作頻率為30kHz,計算匝伏比：N/V=Ton/(ΔB×Ae),原邊繞組匝數(shù)：Np=Vinmin×(N/V),副邊繞組匝數(shù)：N2=(Vo+Vd+Io×R)×(N/V)，設置的匝數(shù)比為10∶32，線徑0.7mm，初級雙線并繞，次級單線繞制。該設計方法能最大限度地提高效率。

　　3.5、整流管的輸出穩(wěn)壓

　　由于18V經(jīng)整流濾波后達到25V,因此選用了耐壓值為1000μF/50V的大電容來穩(wěn)壓。

　　3.6、LC濾波參數(shù)設計

　　根據(jù)電感最大貯能值0.5×L×I×I確定電感峰值電流Imax=Io+2×VoToff/L(Toff為關斷時間)，匝數(shù)N應進行取整，當匝數(shù)少電流大時，應盡量避免取半匝的情況。經(jīng)計算后選取電感量為10mH，電容為4700μF。

　　3.7、保護電路設計

　　采用LM358和LM193作為過流采樣比較器。若負載過流，比較器輸出高電平給單片機，單片機查詢端口作出判斷給SG3525的shut口一個高電平，同時把1個三極管打通給負載一個5V電壓再次檢測負載狀態(tài)；若過流拆除通過LM393比較器給單片機一個高電平，那么單片機給shut端低電平來開啟SG3525。若未拆除，過載單片機循環(huán)查詢等待拆除。

　　運行情況與分析

　　在該設計中，采用的試驗手段及儀器如下：

　　(1)輸出電壓調(diào)整范圍的測試。通過51控制改變DC2DC變換器的電源電壓值，從而達到調(diào)整輸出電壓的目的。用萬用表測試電壓值。

　　(2)最大輸出電流的測試。通過調(diào)整負載電阻的值來調(diào)整輸出電流，當負載短路時輸出電流最大。

　　(3)電壓調(diào)整率Su的測試。在給定的輸入電壓從15～21V變化時，用5位半的數(shù)字表分別測出負載電壓的最大變化量，然后除以負載電壓就可以計算出Su。用同樣的方法可以測出Si。

　　(4)輸出電壓紋波Vpp。用交流調(diào)壓器設定U2為18V，負載電壓為36V，電流為2A時，用模擬示波器測量紋波電壓峰峰值。

　　(5)DC2DC的變換效率。分別用5位半的數(shù)字表測得負載電壓和電流與DC2DC變換器的輸入電壓和電流，然后計算出輸入和輸出功率，便可計算出效率。

　　該系統(tǒng)在實驗室中進行了測試，其測試數(shù)據(jù)表如圖所示。

　　通過測試，該穩(wěn)壓電源具有過流、過壓保護功能?？梢?，該電源的穩(wěn)壓性能指標較高，控制輸出具有可調(diào)性。

　　結語

　　本文設計的穩(wěn)壓電源采用性能穩(wěn)定常用的PWM芯片SG3525來進行反饋調(diào)整穩(wěn)壓，并通過51單片機來設定輸出電壓，功放電路采用MOS管搭建的雙端推挽方式，提高了電源效率。系統(tǒng)測試和運行結果表明，該穩(wěn)壓電源使控制更加智能化，能夠長期高效，穩(wěn)定的工作，更夠滿足農(nóng)業(yè)機械以及照明設備電路的持續(xù)工作需要，同時避免了大量的硬件電路設計，降低了制造成本，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械和照明設備上具有比較廣闊的應用和發(fā)展前景。