中心議題：
- 帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計
解決方案：
- 帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計方案論證
- 帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源硬件設(shè)計
- 帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)運行情況與分析
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(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載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計方案,，能為農(nóng)用大型機械和農(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)簡單,，成本低，但變壓器鐵心易磁化,，MOS 管導(dǎo)通時向負(fù)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(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MOS 管,，工作時對管同時導(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(guān)損耗同時增加,。考慮到農(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(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MOS 管輪流導(dǎo)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(dá)到設(shè)計所需要的效率,，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，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(jìn)行控制,，并對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(shè)計簡單,，外圍電路比TL494 簡潔,。
因此，PWM芯片的設(shè)計中選用SG3525,。
1. 2. 3 過流保護(hù)自動控制
（1） 純硬件實現(xiàn)自動保護(hù)控制,。在負(fù)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(dǎo)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(dāng)負(fù)載正常時可控硅關(guān)斷,，shutdown 端為低電平,，芯片正常工作；當(dāng)負(fù)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(dǎo)通,，從而關(guān)斷可控硅,。該方案邏輯關(guān)系很強，參數(shù)選擇嚴(yán)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(hù)控制。在負(fù)載端采樣電壓,，通過單片機來查詢負(fù)載電平的高低控制SG3525 芯片的shutdown 端口來控制輸出,，從而達(dá)到保護(hù)的目的。該方法簡單,，且為后續(xù)智能化過載保護(hù)的實現(xiàn)提供基礎(chǔ),。通過對該電源電路進(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
由于損耗主要來源于器件本身以及一些開關(guān)元件的寄生電阻和進(jìn)行開關(guān)操作時的開關(guān)損耗,，因此在設(shè)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(guān)元件,；并且變壓器的選取和繞制也對效率有影響。
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，并且開關(guān)速度很快,，讓開關(guān)在瞬間完成,，才能夠最大限度地降低開關(guān)損耗和開關(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,初級雙線并繞,，次級單線繞制，這樣能最大限度地提高效率,。
2 硬件設(shè)計
2. 1 開關(guān)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(guān)速度很快,，導(dǎo)通電阻很小，這樣既減少了開關(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,，易引起整流管過熱,，其輸出電壓過低，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,初級雙線并繞，次級單線繞制,。該設(shè)計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 的大電容來穩(wěn)壓。
2. 6 LC濾波參數(shù)設(shè)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(guān)斷時間） ,匝數(shù)N 應(yīng)進(jìn)行取整,，當(dāng)匝數(shù)少電流大時,，應(yīng)盡量避免取半匝的情況。經(jīng)計算后選取電感量為10 mH,電容為4 700μF,。
2. 7 保護(hù)電路設(shè)計
采用LM358 和LM193 作為過流采樣比較器,。若負(fù)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(fù)載一個5 V 電壓再次檢測負(fù)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,。
3 運行情況與分析
在該設(shè)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(dá)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(fù)載電阻的值來調(diào)整輸出電流，當(dāng)負(fù)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15～21 V 變化時，用5 位半的數(shù)字表分別測出負(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(shè)定U2 為18 V ,負(fù)載電壓為36 V ,電流為2 A 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(fù)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(jìn)行了測試,，其測試數(shù)據(jù)表如表1～4所示,。
通過測試，該穩(wěn)壓電源具有過流,、過壓保護(hù)功能,。可見,，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
本文設(shè)計的穩(wěn)壓電源采用性能穩(wěn)定常用的PWM 芯片SG3525 來進(jìn)行反饋調(diào)整穩(wěn)壓,，并通過51 單片機來設(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)測試和運行結(jié)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(shè)備電路的持續(xù)工作需要，同時避免了大量的硬件電路設(shè)計,，降低了制造成本,，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械和照明設(shè)備上具有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景?！ ?/p>