一種實驗室用開關電源的設計與調試

李紅巖， 杜京義

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054)

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一種實驗室用開關電源的設計與調試

李紅巖， 杜京義

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054)

設計了一種基于電子變壓器的高效率低成本實驗室電源。該電源有四路輸出，前三路固定輸出，分別為36、15、5 V；另一路輸出電源從0～30 V連續可調。電路采用具有雙反饋控制環的BUCK型變換器來保證輸出電壓和電流的連續可調。該變換器的主電路采用L4960作為控制芯片；利用電阻采樣法和差動放大器、比較器原理設計了采樣電路、反饋控制電路。為了進一步降低負載調整率和輸出紋波，設計了恒流放電負載和低壓差動態濾波器。實測數據表明，該實驗室電源的功率因數達到0.95以上，效率達到80%以上，輸出電壓紋波僅為10 mV。

實驗室電源； 反饋； 電子變壓器； 濾波器

0 引 言

實驗室電源，即實驗室用具有固定輸出和可調輸出的直流穩壓電源[1]。由于在科研和實驗過程中，實驗室電源需要面臨復雜多變的環境，比如：過流、短路、突然斷電或者溫度過高等，所以實驗室電源并不同于傳統的直流穩壓電源，它對電源調整率、負載調整率、電壓紋波、抗過載能力等均具有一定的要求。另外，它的輸出電壓和保護電流通常需要在一定范圍內連續可調，再加上許多學生電路基礎知識薄弱,對電源、器件和儀表的電氣特性缺乏了解，加上普遍動手能力不強，因此實驗過程中，電路設計不合理、接線錯誤、電源調節不當等情況時有發生[2]。經常出現短路、過壓、過流等現象。而實驗室使用的直流電源通常是通用的可調穩壓電源，其價格高、功能強、操作復雜，但對外電路的保護功能較弱，因此在實驗中經常會出現二極管燒壞、電流表指針無法恢復等現象[3-4]。本文設計了一種簡單實用的，具有短路、過電壓、過電流保護功能的實驗電源。

1 開關電源的總體設計

實驗室電源指標：輸入90～245 VAC，輸出5 V/1.5 A、15 V/1.2 A、36 V/1 A，可調輸出0～30/0～3 A。

為了滿足實驗室電源對效率、體積、質量等各項技術指標的要求，通過對比線性電源與開關電源的優缺點，最終設計選擇了使用開關電源設計方案。該方案的的結構框圖如圖1所示。

圖1 開關電源設計方案結構框圖

其工作原理為：220 V工頻交流電經過Boost型有源功率因數校正(APFC)電路，得到400 V的直流電壓。400 V的直流電壓經過橋式電子變換器，得到±200 V的高頻交流方波電壓。高頻交流方波電壓經過高頻變壓器由初級側耦合到次級側。然后再經過整流濾波電路，得到穩定的36、15和5 V輸出電壓。其中，36 V輸出分兩路,一路通過光耦反饋給APFC電路；另一路作為下一級變換器的輸入；15 V輸出為運放提供工作電壓；5 V輸出也分為兩路，一路為固定輸出，也為單片機和顯示電路供電；另一路則為基準源。36 V直流電壓經過帶有電壓和電流雙反饋環的BUCK型電子變換器，得到0～30 V連續可調的直流輸出電壓，保護電流也可在0～3 A任意設置。其中，輸出采樣電壓與0～5 V連續可調的參考電壓比較，得到的誤差放大信號經過反饋來控制BUCK型變換器，以實現輸出電壓連續可調；輸出釆樣電流與連續可調的0～5 A參考電流比較，得到的誤差放大信號反饋控制BUCK型變換器，以實現保護電流連續可調[5]。電壓、電流及過流釆樣信號經過調理電路處理后傳送至單片機，實現實時顯示。

2 系統硬件電路設計

2.1 IR2155芯片

本設計使用了一種基于IR2155的電子變壓器設計方案，該方案利用一個簡單的8引腳芯片實現了其他的兩個芯片組合才能完成的功能，簡化了電路結構，增加了所設計電子變壓器的可靠性。IR2155內部采用了浮動通道設計，具有自舉方式工作和欠壓鎖定等功能，通常應用于開關電源、電機驅動器和熒光燈交流電子鎮流器中[5-6]。IR2155的內部原理圖如圖2所示。

圖2 IR2155的內部原理圖

由圖2可知，RT和CT分別為外接定時電阻和電容的引腳，可根據下式來確定電路的工作頻率；內部的2個欠壓檢測電路將控制死區時間電路和CT端，一旦發生欠壓，可以使端CT下拉，從而使高、低端都無電壓輸出。

內部電路分為高端通道和低端通道。其中，VCC是低端和邏輯固定供電引腳，COM為低端返回引腳，兩引腳內接有一個15.6 V的穩壓管，可通過外接RC降壓電路為其供電；VB為高端浮動供電引腳，VS為高端浮動供電返回引腳，兩引腳之間可外接一個電容，通過自舉二極管由VCC為其供電；HO和LO分別為高、低端門驅動輸出引腳，工作時輪流導通，可用于驅動兩個功率MOSFET或IGBT。此外，芯片內部還集成有死區時間控制電路，目的是避免外接的兩只開關管同時導通，其中，死區時間Td=1.2 μs，HO和LO端輸出電壓的占空比相等，即：

2.2 橋式電子變壓器的設計

設計的基于IR2155的橋式電子變壓器如圖3所示。

由圖3可以看出，400 V直流電壓通過電阻R1為電容C3充電，由于受IR2155內部穩壓管的電壓鉗位，

圖3 基于IR2155的橋式變壓器原理圖

C3兩端的電壓會穩定在15 V左右，從而為芯片提供正常的工作電壓。但是最后實驗發現，當重載時VCC端電壓會降至9 V以下，從而導致IR2155進入欠壓鎖定狀態，所以設計中又添加了一個副繞組為其提供穩定的15 V電壓。二極管D1和電容C5構成自舉電路，為高端浮置通道提供電壓。HO和LO端分別通過一個限流電阻來驅動開關管Q1和Q2輪流導通。由于在橋式電路中，對開關管的最大允許電流要求較高，另外考慮到開關管關斷時要承受400 V左右的高壓，因此本設計中選取了最大允許電流8 A，耐壓值500 V的場效應管IRF840。

根據電子變壓器的特性可知，當變壓器的工作頻率提高時，其體積和重量會成反比例減小，但是帶來的負面效應是變壓器繞組的損耗增大，效率降低，對磁芯和繞組的材質要求也會提高。所以設計中進行了折中考慮，頻率選擇為70 kHz左右[7-9]。若C4選擇的1nF瓷片電容，則可計算出R2的阻值為10 kΩ。

高頻變壓器的設計主要包括磁芯的選取和繞組距數的確定。這里設計的變壓器為額定初級電感量214 μH，估計氣隙0.41 mm。選取ETD29/16/10型號骨架。變壓器的磁芯材料選取猛鋅鐵氧體，其飽和磁通密度Bs為0.3～0.5 T，剩余磁通密度Br=0.1 T，所以可確定工作磁通密度Bw=0.15 T。繞組匝數與繞線方式如圖4所示。

圖4 高頻變壓器的匝數及繞線方式圖

2.3 基于L4960的BUCK型變換器主電路

由于L4960內部集成了功率輸出級，所以外部不需要再添加開關管，整體電路非常簡單，即為典型的BUCK型開關電源拓撲結構[10-12]。該主電路圖不包括電壓和電流反饋環，其中FB-V為輸出電壓反饋控制端口，CTR為保護電流反饋控制端口。基于L4960設計的BUCK型變換器的主電路圖如圖5所示。D1作為續流二極管，其正向導通壓降越小越好，反向恢復時間越短越好，故設計中選取的是肖特基二極管SR2100。

圖5 基于L4960設計的BUCK型變換器主電路圖

2.4 輸出電流和輸出電壓采樣電路的設計

在圖6中，采樣電阻Rs放置于低壓側，電路可直接通過運放構成的差動放大器采樣出Rs上的壓降[13-14]。另外，經過實際測試，運放LM324在輸入電壓小于10 mV時，放大特性存在非線性，故需要額外為其提供一定的輸入電壓UC1，造成的誤差可通過單片機進行校正。

圖6 低壓端電流釆樣電路圖

2.5 輸出電壓反饋調節電路的設計

基于比較器原理設計了一種電壓反饋調節電路[11]，如圖7所示。圖7中，U1D構成了比較放大器，其正向端的輸入電壓為US-V，負向端的輸入電壓為可調參考電壓UCH1-V，輸出電壓為UFB-V，其中，UFB-V將反饋給L4960的FB端，用于控制其內部的功率輸出級導通或關斷，從而控制輸出電壓。為了避免電位器的阻值影響比較放大器的阻抗匹配，所以在電位器輸出端和比較放大器的負向輸入端之間增設了一個跟隨器U1C。為了克服輸出電壓難以從0 V起調的問題，為比較放大器額外提供了一個基準電壓UC2=5 V[15]。

圖7 電壓反饋調節電路電路圖

3 實驗室電源樣機的調試

通過對電子變壓器的功能、穩壓特性和整機的輸入與輸出電壓范圍、可調保護電流范圍、短路保護功能、電壓調整率、負載調整率、轉換效率、紋波電壓、體積、重量等各項技術指標進行了綜合測試，并對樣機的制作成本進行了估算。實際測試數據表明，設計的基于電子變壓器的實驗室電源具有寬電壓輸入范圍；輸出電壓與保護電流連續可調；短路保護以及高功率因數等特性，并且，相對于傳統的實驗室電源降低了電壓調整率、負載調整率和成本，減小了體積和質量，達到了預期的設計要求。

需要注意的問題有：

(1)輸入整流部分：采用二極管整流，輸入電流最大值0.3 A，選取額定電流2 A的整流橋，輸出濾波電容按選3 μF/W取，取值為220 μF。由于輸入濾波電容較大，為了防止上電一瞬間沖擊電流過大，輸入接10 Ω熱敏電阻限流。

(2) MOS管鉗位：為了防止MOS管因為過壓擊穿，使用TVS、R、C、VD式鉗位電路，TVS選取180 V瞬態抑制二極管，使鉗位電壓鉗位在175 V。鉗位電阻取3個33 kΩ并聯，估計鉗位損耗3 W。

(3)主控制器件：啟動欠壓過壓保護，選取保護電阻為4 MΩ，取兩個2 MΩ電阻串聯。啟動過流保護，限流值2.7 A，取限流電阻7.15 kΩ。反饋采用TL431+光耦配合進行隔離反饋。

(4)每路可分別達到滿載值，但考慮交叉負載調整性，在副輸出(15 V、27 V)電流同時或總共較大時禁止主輸出5 V帶載。此時若想使用5 V，可由可調路輸出。可調路與27 V占用同一通道，即這兩路同時最大輸出電流總計1 A，可調路單獨輸出最大0.8 A。若5 V輸出較大電流時副輸出會飄高，但已被限制在安全值，故不可使5 V過功率運行。系統有過熱保護，當系統過熱時會關閉輸出。若想使用大功率長時間輸出，需加強散熱。

所設計的實驗室開關電源實物圖如圖8所示。

圖8 實驗室開關電源實物圖

4 結 語

本文主要設計了一種基于電子變壓器的高效率低成本的實驗室用開關電源。該電源有四路輸出：一路固定輸出36 V，一路固定輸出15 V，一路固定輸出5 V，一路輸出電源從0～30 V連續可調。電路采用具有雙反饋控制環的BUCK型變換器來保證輸出電壓和電流的連續可調。該變換器的主電路采用L4960作為控制芯片；利用電阻采樣法和差動放大器、比較器原理設計了采樣電路、反饋控制電路。為了進一步降低負載調整率和輸出紋波，設計了恒流放電負載和低壓差動態濾波器。實測數據表明，基于電子變壓器設計的實驗室電源的功率因數達到了0.95以上，效率達到80%以上，輸出電壓紋波僅為10 mV,相比于傳統實驗室電源大大減小了體積和重量，降低了成本。

[1] 田智文.一種帶有保護電路的直流穩壓電源的設計[D].西安：西安電子科技大學，2011:1-8.

[2] 姚志樹.開關電源主電路拓撲結構的分析與比較[J].電源世界，2012,21(10):21-24.

[3] 黃雍俊.新型多路輸出開關電源的設計與研究[D].廣州：華南理工大學，2012:2-5.

[4] 馬 偉,周亞麗.基于L4960的高可靠MCU電源設計[J].液壓氣動與密封，2009, 68(1): 59-61.[5] 張克賀.基于電子變壓器的高效率低成本實驗室電源的研制[D].延吉：延邊大學，2014：40-65.

[6] 金永鎬,張克賀.基于開關的無變壓器恒流驅動電源的設計[J].電子科技，2014，27(4):20-30.

[7] 薛 蒙.反激型多路開關穩壓電源的設計[D].青島：青島理工大學，2012:7-13.

[8] Shengyuan O, Hopu H. Analysis and Design of a Novel Single-Stage Switching Power Supply With Half-Bridge Topology[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2011, 11(2): 32303241.

[9] Krishnamurthy S. Half bridge topologies for electronic transformers[C]//Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE),2012 IEEE. Raleigh, America, 2012: 38693874.

[10] 鄧元慶,石 會,丁 偉.直流穩壓電源的技術指標辨析[J].工業和信息化教育，2013, 8(8): 74-77.

[11] 王春鳳,李旭春,薛文軒,等.開關電源實驗教學探討[J].實驗室研究與探索,2010，29(9):142-145.

[12] 李瑞娟.基于FPGA的DC/DC變換器EMI抑制研究[J].大眾科技，2013(10):72-74.

[13] 張躍勤.基于UC3842顯示器開關電源的缺陷及改進方法[J].實驗室研究與探索，2003，22(6):104-105.

[14] 劉 鑫,王衛國,劉克承,等.星用基于UC1845多路輸出雙管反激開關電源設計[J].現代電子技術，2014(2):159-162.

[15] 牛春遠,潘永雄,劉鴻飛.反激變換器箝位電路的設計[J].電子設計工程，2013(21):102-104.

Design and Debugging of Switching Power Supply for Laboratory

LIHong-yan，DUJing-yi

(College of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China)

A high efficiency and low cost laboratory power supply is designed based on electronic transformer is designed. The power supply can provide four outputs, one is fixed output 36 V, the other fixed output 15 V, the third fixed output voltage 5 V, and the fourth output is adjustable voltage from a 0～30 V continuous adjustable,. the The circuit uses a BUCK type converter with a dual feedback control loop to ensure continuous adjustable output voltage and current. The main circuit of the converter using uses L4960 peripheral circuit, hence it is simple and the its price is cheap as the control chip. The sampling circuit and feedback control circuit are used resistance sampling method and differential amplifier, a comparator principle design of sampling circuit, a feedback control circuit. In order to further reduce the load adjustment rate and the output ripple, the design of the constant current discharge load and low pressure differential dynamic filter are adopted. Measured data show that the power factor of electronic transformer is more than 0.95, the efficiency reaches more than 80%, output voltage ripple is only 10 mV. It greatly reduces the volume and weight compared with traditional laboratory power supply, and also reduces the cost.

laboratory power supply; feedback; electronic transformer; filter

2015-07-13

西安科技大學實驗室自研儀器設備項目(201410704025)

李紅巖(1980-)，男，山東東阿人，高級工程師，現主要從事嵌入式技術、智能控制方向的研究。

Tel.:13310940531；E-mail: lihongyan@xust.edu.cn

TM 643

A

1006-7167(2016)05-0082-04