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關(guān)元件的寄生電阻和進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)的開關(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0.7mm,，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(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0.7mm,，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18V經(jīng)整流濾波后達(dá)到25V,，因此選用了耐壓值為1000μF/50V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10mH,，電容為4700μF。

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)5V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18V,，負(fù)載電壓為36V,，電流為2A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,。

4 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,。