一種降低高低壓電源切換勵磁電路功耗的方案

A Scheme for Reducing Power Consumption of the Switching Excitation Circuit for the High/Low Voltage Power Supplies

許　偉　徐科軍　楊雙龍　梁利平　方　敏

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

一種降低高低壓電源切換勵磁電路功耗的方案

A Scheme for Reducing Power Consumption of the Switching Excitation Circuit for the High/Low Voltage Power Supplies

許偉徐科軍楊雙龍梁利平方敏

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：為了降低功耗和減少發(fā)熱，以確保電磁流量計長期穩(wěn)定、可靠地工作，對電磁流量計的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。去掉高壓電源激勵回路中的電流旁路電路，減少高壓電源工作時的消耗；使用MOS管替代H橋開關(guān)電路高壓側(cè)橋臂中使用的達(dá)林頓管，減小H橋開關(guān)電路的消耗和發(fā)熱；使用IR2110驅(qū)動H橋，加快開關(guān)管的開通和關(guān)斷的過程。同時，研制新的恒流源控制電路，有效減小高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的消耗。試驗(yàn)測試表明，改進(jìn)后電磁流量計的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的功耗降低了43%。

關(guān)鍵詞：電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)電源切換恒流源控制電路功耗發(fā)熱

Abstract：In order to reduce power consumption and heat generation for ensuring long term stable and reliable operation of the electromagnetic flowmeters, the switching excitation control system of the high/low voltage power supplies for electromagnetic flowmeters has been improved. The current bypass circuit in excitation loop of high voltage power supply is removed to decrease power consumption of high voltage power supply in operation; and the Darlington transistors used in high voltage bridge arm of the H-bridge are replaced by MOS FETs to decrease the consumption and heat generation of H-bridge switching circuit; the H-bridge is driven by using IR2110, to speed up the process of ON/OFF. In addition, the new type of control circuit of constant current source is developed for effectively reducing the power consumption of the control system. The experimental tests show that power consumption of this improved system is decreased by 43%.

Keywords：Electromagnetic flowmeterExcitation control systemPower supply switchingConstant current source control circuit

Power consumptionHeat generation

0引言

各種導(dǎo)電流體流量的準(zhǔn)確測量對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)和環(huán)保具有重要的意義。電磁流量計是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表[1]，其勵磁方法直接決定了電磁流量計工作時的響應(yīng)速度、抗干擾能力和零點(diǎn)穩(wěn)定性[2]。文獻(xiàn)[3]~[4]研制的基于高低壓電源切換的勵磁控制系統(tǒng)，極大地提高了勵磁頻率，使電磁流量計具有較快的響應(yīng)速度；同時，保證了電磁流量計在測量過程中電流的穩(wěn)定性和可靠性。但是，在實(shí)際使用過程中，基于高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的電磁流量計存在功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重的問題。勵磁控制系統(tǒng)是電磁流量計中消耗電能最大的模塊，減小其功耗，對降低電磁流量計的整體功耗具有重要意義。文獻(xiàn)[5]介紹的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)，其H橋開關(guān)電路高壓側(cè)橋臂的達(dá)林頓管和恒流源控制電路發(fā)熱量最大，是該系統(tǒng)在工作過程中溫度最高的電路單元。溫度過高會影響電磁流量計長期工作的穩(wěn)定性和可靠性，同時，也影響其測量精度。為此，本文針對高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)，提出降低功耗、減少發(fā)熱的方案，并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)。

1解決方案

為了降低高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的功耗，以減小其發(fā)熱量，一要在不影響電路正常工作的前提下，簡化電路，減少發(fā)熱源；二要減小電磁流量計勵磁電路中功耗較大的電路單元的壓降，以減小勵磁電路整體消耗的電能。

1.1　高壓電源激勵回路簡化

原高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)由高壓電源、低壓電源、能量回饋電路、高低壓切換電路、恒流源控制電路、電流旁路電路、H橋開關(guān)電路、檢流電路和勵磁時序電路組成[5]，如圖1所示。高壓電源的電壓值比低壓電源的高很多，其作用是使勵磁電流快速達(dá)到電流設(shè)定值。高壓電源激勵回路為：高壓電源→能量回饋電路→高低壓切換電路→電流旁路電路→H橋開關(guān)電路→勵磁線圈→檢流電路。低壓電源的作用是當(dāng)勵磁線圈中電流上升到設(shè)定的勵磁電流值后，維持勵磁電流的穩(wěn)定。低壓電源激勵回路為：低壓電源→高低壓切換電路→恒流源控制電路→H橋開關(guān)電路→勵磁線圈→檢流電路。

圖1　基于高低壓電源切換的勵磁控制系統(tǒng)

在勵磁的開始階段，高壓電源產(chǎn)生的勵磁電流經(jīng)過能量回饋電路、高低壓切換電路、電流旁路電路和H橋開關(guān)電路對勵磁線圈進(jìn)行激勵。電流旁路電路的功能是實(shí)現(xiàn)電流的超調(diào)控制，以加快勵磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過程[6]。但是，電流旁路上有壓降，將造成功率損耗。若壓降為1 V，勵磁頻率為12.5 Hz，勵磁電流上升的最大值為253 mA，上升時間為9 ms，則電流旁路的功率約為：

P1=UIt/T=1×0.253×0.5×0.018/0.08=0.028 5 W

為此，改進(jìn)高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)中的高壓電源激勵回路。將恒流源控制電路放置在高低壓切換電路之前，這樣就不需要電流旁路電路對恒流源控制電路進(jìn)行旁路，也能實(shí)現(xiàn)電流的超調(diào)控制，從而省去了電流旁路電路，減少了一個發(fā)熱源，勵磁控制系統(tǒng)的功耗減小0.028 5 W。同時，使加在勵磁線圈上的高壓電壓值增大了1 V，有助于提高勵磁電流上升的速度。改進(jìn)后的高低壓電源勵磁控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　無電流旁路的勵磁控制系統(tǒng)

1.2　H橋開關(guān)電路改進(jìn)

在高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)中，H橋開關(guān)電路的作用是改變勵磁線圈中勵磁電流的方向，實(shí)現(xiàn)方波勵磁，避免電極極化。H橋開關(guān)電路原理圖如圖3所示[5]。

圖3　基于達(dá)林頓管的H橋開關(guān)電路

H橋開關(guān)電路存在兩個問題。

一是高壓側(cè)橋臂采用電流控制型器件PNP型達(dá)林頓三極管，功耗較大。因?yàn)槠鋲航禐?.9 V，若勵磁電流為181 mA，則兩個達(dá)林頓管交替工作時，其功率之和約為P2=UI=0.9×0.181=0.163 W。此外，達(dá)林頓管的開通上升時間和關(guān)斷下降時間都是微秒級別的，而低壓側(cè)橋臂使用的MOS管的開通上升時間和關(guān)斷下降時間是納秒級別的，從而造成上下兩個開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的步調(diào)不一致。

二是驅(qū)動電路功耗較大。驅(qū)動電路采用達(dá)林頓陣列管對勵磁信號進(jìn)行放大，以提供較大的電壓。驅(qū)動電路的功耗大小與開關(guān)管開通和關(guān)斷速度是矛盾的。當(dāng)使用的集電極上拉電阻的阻值較大時，可以減小電路的消耗，但是，過小的驅(qū)動電流會抑制開關(guān)管的開通和關(guān)斷速度。當(dāng)集電極上拉電阻的阻值較小時，可以提供較大的驅(qū)動電流，但是，電路的消耗會明顯增加。在文獻(xiàn)[5]使用的驅(qū)動電路中，低壓側(cè)橋臂的驅(qū)動電流為0.75 mA,高壓側(cè)橋臂的驅(qū)動電流為0.21 mA,總功耗為0.11 W。

針對上述H橋開關(guān)電路的問題，本文設(shè)計了一種使用MOS管搭建的H橋開關(guān)電路，并采用集成芯片IR2110對其進(jìn)行驅(qū)動，如圖4所示。

圖4　基于MOSFET的H橋開關(guān)電路

圖4中，H橋開關(guān)電路高壓側(cè)橋臂選用IRFB4020型MOS管，當(dāng)勵磁電流為181 mA、驅(qū)動電壓為15 V時，開關(guān)管導(dǎo)通時的壓降只有0.02 V。這樣H橋高壓側(cè)橋臂的功耗之和只有0.003 6 W，僅為原來的2.22%。如果選用導(dǎo)通電阻更小的MOS管，則MOS管上的壓降還可以更小。同時，H橋開關(guān)電路高壓側(cè)橋臂和低壓側(cè)橋臂使用了同型號的MOS管，可以保證開關(guān)管的開通和關(guān)斷的時間基本一致。

采用自舉電容法進(jìn)行H橋開關(guān)電路的驅(qū)動，具體電路用全橋驅(qū)動芯片IR2110來實(shí)現(xiàn)。IR2110是高電壓、高速度功率MOSFET驅(qū)動器，可以獨(dú)立地驅(qū)動一路高壓側(cè)MOS管和一路低壓側(cè)MOS管，驅(qū)動電流高達(dá)2 A，導(dǎo)通的上升時間和關(guān)斷的下降時間也僅為100 ns。集成芯片IR2110僅需要與少量的外圍分立元器件配合，即可實(shí)現(xiàn)對H橋開關(guān)電路的驅(qū)動。這是一種簡單、有效的驅(qū)動高壓側(cè)MOS管的方法。IR2110工作的功耗也比較小，僅有0.01 W。

改進(jìn)后的H橋開關(guān)電路減小了H橋開關(guān)電路上的損耗，可以明顯改善勵磁電路的發(fā)熱問題。驅(qū)動電路可以提供更大的驅(qū)動電流，加快開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的速度，有助于縮小死區(qū)時間，延長電壓對勵磁線圈的激勵時間。改進(jìn)后的H橋開關(guān)電路的功耗僅為原來的H橋開關(guān)電路功耗的8.65%。

1.3　新恒流控制電路的研制

恒流源控制電路的作用是維持勵磁線圈中電流值的穩(wěn)定[7-9]，以在測量管中產(chǎn)生恒定的磁場，實(shí)現(xiàn)電磁流量計對流量的精確測量。文獻(xiàn)[5]介紹的恒流源控制電路由線性電源芯片和分立元器件設(shè)定電阻組成，如圖5所示。圖5中虛線部分為線性電源芯片的功能框圖，由帶隙基準(zhǔn)電路和類似于自可調(diào)電阻的電路組成。帶隙基準(zhǔn)電路使Vo引腳和Adj引腳之間的電壓維持在1.25 V，通過選取設(shè)定電阻值為Rset=1.25/Io來得到所需要的電流值Io。自可調(diào)電阻的功能是在負(fù)載電流恒定時，通過調(diào)節(jié)自身電阻的大小來承擔(dān)負(fù)載之外的所有多余電壓，實(shí)現(xiàn)負(fù)載上電壓的恒定。

圖5　恒流源控制電路

由線性電源芯片和設(shè)定電阻搭建的恒流源控制電路存在功耗大的問題。恒流源控制電路正常工作需要保證線性電源芯片的輸入端Ui和輸出端Uo之間滿足一定的壓差條件，即Ui-Uo≥3 V。若只滿足最小臨界的工作條件，當(dāng)電源波動時，恒流源控制電路就難以繼續(xù)維持電流的穩(wěn)定。因此，Ui引腳和Uo引腳之間的壓差必須保留一定的裕量。文獻(xiàn)[5]中將低壓電源設(shè)定在17 V，勵磁電流設(shè)定在181 mA，線性電源芯片Ui引腳和Uo引腳之間的壓差為5.1 V，帶隙基準(zhǔn)電壓即設(shè)定電阻上的電壓降為1.25 V。因此，在正常工作時，恒流源控制電路兩端的電壓降為6.35 V。當(dāng)在環(huán)境溫度為30 ℃時，線性電源芯片溫度較高，接近60 ℃。可見，恒流源控制電路過大的壓降會導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)熱問題。為了解決高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的功耗和發(fā)熱問題，減小恒流源控制電路的功耗尤為重要。

針對恒流源控制電路功耗大的問題，研制了新的恒流源控制電路，其功能框圖如圖6虛線框內(nèi)所示。

圖6　研制的恒流源控制電路

研制的恒流源控制電路使用分立元器件搭建而成，由三極管、誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源3個功能模塊組成。三極管接在負(fù)載電路中，基準(zhǔn)電壓源為誤差放大器的負(fù)相端提供參考基準(zhǔn)電壓，用來設(shè)置流過負(fù)載中電流值的大小；檢流電路把負(fù)載上流過的電流轉(zhuǎn)換成反饋電壓并送至誤差放大器的正相輸入端；誤差放大器通過調(diào)節(jié)三極管上的壓降維持負(fù)載上流過電流的穩(wěn)定。基準(zhǔn)電壓源三極管工作在線性可變電阻區(qū)，誤差放大器通過調(diào)節(jié)三極管基極電流的大小，改變?nèi)龢O管上的壓降，達(dá)到調(diào)節(jié)電流的效果。

電流的調(diào)節(jié)過程為：當(dāng)負(fù)載上的電流減小時，檢流電路上的反饋電壓小于基準(zhǔn)源電壓，誤差放大器的輸出信號減小，流過三極管的電流增大，從而使流過負(fù)載的電流增大，三極管上的壓降減小；當(dāng)負(fù)載上的電流增大時，檢流電路上的反饋電壓大于基準(zhǔn)源電壓，誤差放大器的輸出信號增大，流過三極管的電流減小，從而使流過負(fù)載上的電流減小，三極管上的壓降增大。用運(yùn)算放大器和分立元器件搭建誤差放大器，克服了因運(yùn)算放大器開環(huán)增益過大而引起的電流控制波動問題。

與文獻(xiàn)[5]介紹的恒流源控制電路相比，研制的新恒流源控制電路的基準(zhǔn)電壓源由外部電路提供，與線性電源芯片相比，其幅值可以較小且可以調(diào)節(jié)。研制的恒流源電路可以直接從檢流電路上取得反饋電壓，和基準(zhǔn)源電壓相比較，減少了設(shè)定電阻上的功耗。三極管工作時需要的壓降更小，從而使恒流源控制電路上的壓降大大減小，極大地減小了恒流源控制電路的功耗。

測試結(jié)果表明，研制的恒流源控制電路將勵磁電流穩(wěn)定在181 mA時，恒流源電路中的三極管兩端的壓降僅為0.8 V。為了提高恒流源控制電路的抗干擾能力，將其兩端的電壓控制在2 V。這樣恒流源控制電路的壓降由原來的6.35 V降到了2 V，電路功耗降低約0.787 W。對降壓之后的恒流源控制電路進(jìn)行溫度測試，恒流源控制電路的最高溫度不到40 ℃，發(fā)熱量大為降低。

2結(jié)束語

本方案改進(jìn)了勵磁電路的結(jié)構(gòu)，將恒流源電路置于高低壓切換電路前，這樣僅用高低壓切換電路就能實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)[5]電路中的切換電路和旁路電路的功能，使高壓電源激勵回路得到簡化，勵磁電路功率減少0.028 5 W；加在勵磁線圈上的電壓增加了1 V，有助于加快勵磁電流上升的速度。改進(jìn)了勵磁電路中的H橋開關(guān)電路，采用MOS管替代高壓側(cè)橋臂的達(dá)林頓管，并且使用集成芯片IR2110驅(qū)動H橋電路，提高了開關(guān)速度，減小了死區(qū)時間，降低了H橋開關(guān)電路功耗(0.25 W)。同時，研制了新的恒流源控制電路，恒流源電路功耗降低0.787 W。

通過以上改進(jìn)，使線性電源芯片器件的表面溫度由55 ℃降低到39 ℃，低壓電源值由17 V降到12 V，高低壓電源切換勵磁控制電路的功耗降低了約43%，電磁流量計中功耗最大的高低壓電源切換勵磁控制系統(tǒng)的發(fā)熱狀況得到了很大改善。該成果已經(jīng)申報國家發(fā)明專利。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡武昌，馬中元，瞿國芳，等.電磁流量計[M].北京：中國石化出版社，2004:25-26.

[2] 胡婷，梁原華.電磁流量計集中激勵方式分析[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2001,6(2):104-106.

[3] 徐科軍，楊雙龍，王剛，等.基于高低壓電源切換的電磁流量計勵磁控制系統(tǒng):中國，CN101726334A[P].2009-12-23.

[4] 徐科軍，張振，楊雙龍，等.具有旁路和能量回饋電路的電磁流量計高低壓切換系統(tǒng):中國,CN102393225A[P].2011-11-08.

[5] 張振.基于DSP的高頻勵磁電磁流量變送器硬件的研制[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[6] 張振，徐科軍，楊雙龍，等.具有快速響應(yīng)的電磁流量計高低壓勵磁系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報，2013，27(6):562-571.

[7] Jakubwski J,Michalski A.Study on stabilized zero-point of electro-magnetic flowmeter with rapid excitation[J].Instrumentation and Measurement Technology Conference,1994(2):829-832.

[8] Cha J,Ahn Y,Kim M.Flow measurement with an electromagnetic flowmeter in two-phase[J].Flow Measurement and Instrumentation，2002,12(5-6):329-339.

[9] Xu K J，Wang X F.Signal modeling of electromagnetic flowmeter under sine wave excitation using two-stage fitting method[J].Sensors and Actuator A:Physical，2007，136(1):137-143.

[10]Osamu M，Ichiro M T，Shinsuke M，et al.Magnetic excitation circuit for electromagnetic flowmeter：US,20140247532A1[P].2014.

中圖分類號：TH81;TP216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508021

修改稿收到日期：2014-12-07。

第一作者許偉(1992-)，男，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院DSP實(shí)驗(yàn)室在讀碩士研究生；主要從事DSP應(yīng)用方面的研究。