中心議題：
- 帶過(guò)載保護(hù)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)
解決方案：
- 帶過(guò)載保護(hù)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案論證
- 帶過(guò)載保護(hù)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源硬件設(shè)計(jì)
- 帶過(guò)載保護(hù)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)運(yùn)行情況與分析
近年來(lái),，隨著我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品需求量的增加,，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的提高，以及大量農(nóng)業(yè)機(jī)械,、電氣照明和溫控設(shè)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(shù)的迅猛發(fā)展,，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源已作為一種較理想的電源為人們所使用，其運(yùn)用功率變換器進(jìn)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(lái)巨大的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。然而當(dāng)前的農(nóng)業(yè)用開(kāi)關(guān)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(jī)械和電氣設(shè)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(guò)載保護(hù)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案,，能為農(nóng)用大型機(jī)械和農(nóng)業(yè)照明設(shè)備電路提供穩(wěn)定的電源，具有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景,。
1 方案論證
1. 1 DC2DC主回路拓?fù)潆娐贩桨刚撟C
目前,，DC2DC 主回路設(shè)計(jì)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,。
該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低,，但變壓器鐵心易磁化,，MOS 管導(dǎo)通時(shí)向負(fù)載供電，變壓器并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)充分利用,，效率不高,，而且輸出電壓紋波大。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,，目前為大部分農(nóng)業(yè)機(jī)械和電器設(shè)備采用,，但難以保證穩(wěn)定持續(xù)的工作，應(yīng)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(gè)MOS 管,，工作時(shí)對(duì)管同時(shí)導(dǎo)通,，半周期內(nèi)Q1、Q3 導(dǎo)通,，Q2,、Q4 截止，然后Q2,、Q4 導(dǎo)通,，Q1,、Q3 截止。這樣的工作方式使每半周期都有2 個(gè)MOS 管來(lái)分壓,，對(duì)MOS管的耐壓要求就降低了,，適用于高壓場(chǎng)合，但由于使用了4個(gè)MOS 管,，使得損耗功率增加,，開(kāi)關(guān)損耗同時(shí)增加?？紤]到農(nóng)業(yè)機(jī)械一般功率較大,，采用該方案必然降低電能利用率，導(dǎo)致大量的能耗損失,。
（ 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(gè)MOS 管輪流導(dǎo)通,，比采用4 個(gè)MOS管損耗低,，而且輸出電壓比單端方式的要穩(wěn)，為達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的效率,，本文選用了該方案,。
1. 2 控制方法及方案論證
1. 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(tái)，用tlc4066 與74ls07 通過(guò)按鍵用74ls07 計(jì)數(shù),，并通過(guò)4066 來(lái)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(shí)現(xiàn)而且顯示部分電路難以實(shí)現(xiàn),。
（2） 嵌入式方案,。采用51 單片機(jī)小系統(tǒng)板對(duì)PWM芯片進(jìn)行控制，并對(duì)A/ D 和D/ A 進(jìn)行控制和采樣,。采用以7279 為核心的按鍵掃描顯示模塊進(jìn)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(shí)現(xiàn),。經(jīng)綜合比較考慮，筆者選擇采用嵌入式解決方案,。
1. 2. 2 PWM芯片的選取
TL494 是很常用的PWM芯片,，但是外圍電路復(fù)雜，缺少圖騰柱式輸出，且驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng),。而SG3525 芯片的驅(qū)動(dòng)能力要比TL494 強(qiáng),，性能穩(wěn)定，并且以圖騰柱式輸出,，驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，外圍電路比TL494 簡(jiǎn)潔。
因此,，PWM芯片的設(shè)計(jì)中選用SG3525,。
1. 2. 3 過(guò)流保護(hù)自動(dòng)控制
（1） 純硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)控制。在負(fù)載端采樣電壓,，通過(guò)一個(gè)比較器輸出一個(gè)電平控制可控硅的導(dǎo)通,，由可控硅的狀態(tài)來(lái)控制SG3525 的shutdown 端，從而控制輸出狀態(tài),。當(dāng)負(fù)載正常時(shí)可控硅關(guān)斷,，shutdown 端為低電平，芯片正常工作,；當(dāng)負(fù)載過(guò)流時(shí),，通過(guò)取樣電阻給比較器輸出一個(gè)高電平，高電平通過(guò)一個(gè)電容送到一個(gè)與可控硅并聯(lián)的三極管基極,，使三極管導(dǎo)通,，從而關(guān)斷可控硅。該方案邏輯關(guān)系很強(qiáng),，參數(shù)選擇嚴(yán)格,，不容易實(shí)現(xiàn)，不適用于該系統(tǒng),。
（2） 軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)控制,。在負(fù)載端采樣電壓，通過(guò)單片機(jī)來(lái)查詢負(fù)載電平的高低控制SG3525 芯片的shutdown 端口來(lái)控制輸出,，從而達(dá)到保護(hù)的目的,。該方法簡(jiǎn)單，且為后續(xù)智能化過(guò)載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ),。通過(guò)對(duì)該電源電路進(jìn)行方案論證,，該系統(tǒng)的原理圖如圖4 所示。
1. 3 提高效率方法及解決方案
由于損耗主要來(lái)源于器件本身以及一些開(kāi)關(guān)元件的寄生電阻和進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗,，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)要盡量減少損耗元件的個(gè)數(shù),，選用耗能小的元件，采用比較理想的開(kāi)關(guān)元件,；并且變壓器的選取和繞制也對(duì)效率有影響,。
1. 3. 1 功放電路解決方案
為了降低損耗只能選用2 個(gè)晶體管,，并且要求它本身的導(dǎo)通壓降很低，降低了損耗,，并且開(kāi)關(guān)速度很快,，讓開(kāi)關(guān)在瞬間完成，才能夠最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲,。
1. 3. 2 變壓器解決方案
選用EI 變壓器,，設(shè)置匝數(shù)比為10∶32 ,線徑0. 7 mm,初級(jí)雙線并繞，次級(jí)單線繞制,，這樣能最大限度地提高效率,。
2 硬件設(shè)計(jì)
2. 1 開(kāi)關(guān)管的選取
由于是PWM芯片直接驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)電流不大,，考慮到效率問(wèn)題,，選用IRF540。它是電壓控制器件,，要求驅(qū)動(dòng)電流很低,，并且開(kāi)關(guān)速度很快，導(dǎo)通電阻很小,，這樣既減少了開(kāi)關(guān)損耗,，也降低了本身寄生電阻的損耗。
2. 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(guò)熱,，其輸出電壓過(guò)低，導(dǎo)致負(fù)載電壓不穩(wěn),。因此采用共陰極肖特基二極管取代,。
2. 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,。
2. 4 變壓器的繞制方法
選用EI 變壓器，工作頻率為30kHz ,計(jì)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(shè)置的匝數(shù)比為10∶32 ,線徑0. 7 mm,初級(jí)雙線并繞,，次級(jí)單線繞制。該設(shè)計(jì)方法能最大限度地提高效率,。
2. 5 整流管的輸出穩(wěn)壓
由于18 V 經(jīng)整流濾波后達(dá)到25V ,因此選用了耐壓值為1 000μF/ 50 V 的大電容來(lái)穩(wěn)壓,。
2. 6 LC濾波參數(shù)設(shè)計(jì)
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(guān)斷時(shí)間） ,匝數(shù)N 應(yīng)進(jìn)行取整，當(dāng)匝數(shù)少電流大時(shí),，應(yīng)盡量避免取半匝的情況,。經(jīng)計(jì)算后選取電感量為10 mH,電容為4 700μF。
2. 7 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
采用LM358 和LM193 作為過(guò)流采樣比較器,。若負(fù)載過(guò)流,，比較器輸出高電平給單片機(jī),，單片機(jī)查詢端口作出判斷給SG3525 的shut 口一個(gè)高電平，同時(shí)把1 個(gè)三極管打通給負(fù)載一個(gè)5 V 電壓再次檢測(cè)負(fù)載狀態(tài),；若過(guò)流拆除通過(guò)LM393 比較器給單片機(jī)一個(gè)高電平,，那么單片機(jī)給shut 端低電平來(lái)開(kāi)啟SG3525。若未拆除,，過(guò)載單片機(jī)循環(huán)查詢等待拆除,。
3 運(yùn)行情況與分析
在該設(shè)計(jì)中，采用的試驗(yàn)手段及儀器如下,。
（1） 輸出電壓調(diào)整范圍的測(cè)試,。通過(guò)51 控制改變DC2DC變換器的電源電壓值，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的,。用萬(wàn)用表測(cè)試電壓值,。
（2） 最大輸出電流的測(cè)試。通過(guò)調(diào)整負(fù)載電阻的值來(lái)調(diào)整輸出電流,，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)輸出電流最大,。
（3） 電壓調(diào)整率Su 的測(cè)試。在給定的輸入電壓從15～21 V 變化時(shí),，用5 位半的數(shù)字表分別測(cè)出負(fù)載電壓的最大變化量,，然后除以負(fù)載電壓就可以計(jì)算出Su。用同樣的方法可以測(cè)出Si ,。
（4） 輸出電壓紋波Vpp,。用交流調(diào)壓器設(shè)定U2 為18 V ,負(fù)載電壓為36 V ,電流為2 A 時(shí)，用模擬示波器測(cè)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(cè)得負(fù)載電壓和電流與DC2DC 變換器的輸入電壓和電流，然后計(jì)算出輸入和輸出功率,，便可計(jì)算出效率,。
該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)表如表1～4所示,。
通過(guò)測(cè)試,，該穩(wěn)壓電源具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能,?？梢?jiàn)，該電源的穩(wěn)壓性能指標(biāo)較高,，控制輸出具有可調(diào)性,。
結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源采用性能穩(wěn)定常用的PWM 芯片SG3525 來(lái)進(jìn)行反饋調(diào)整穩(wěn)壓，并通過(guò)51 單片機(jī)來(lái)設(shè)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(cè)試和運(yùn)行結(jié)果表明，該穩(wěn)壓電源使控制更加智能化,，能夠長(zhǎng)期高效,，穩(wěn)定的工作，更夠滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械以及照明設(shè)備電路的持續(xù)工作需要,，同時(shí)避免了大量的硬件電路設(shè)計(jì),，降低了制造成本，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械和照明設(shè)備上具有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景,?！ ?/p>