基于第二代Vicor模塊的開關電源數控調壓設計

崔夢宇 呂托 孫曉慧 張雅琪

摘 要：根據某型號系統供電要求，以第二代Vicor模塊為核心進行開關電源的數字化設計，實現了在現場無人值守的情況下，能夠對開關電源進行遠控調壓操作。該樣機產品已經經過了應力篩選試驗和環境試驗的考核，表明該設計具有良好的工作可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性、環境適應性和電磁兼容性。同時，證明了該開關電源的數控調壓設計方案合理可行。

關鍵詞：開關電源 數控調壓 設計方案

中圖分類號：TP17 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0028-02

隨著科技的不斷發展，近年來，數字化理念在開關電源領域中得到了廣泛的應用。許多電子設備要求開關電源輸出電壓可以自動設置。因此，這里提出了一種基于第二代Vicor模塊，利用數字控制電路，實現輸出電壓可以調節的開關電源設計方案。最終達到了開關電源的輸出電壓可以通過數字控制進行自動設置。

1 基本設計方案及工作原理

本開關電源的設計方案采用模塊化設計。模塊化電源一般稱為電源模塊，有時簡稱模塊。在當今科學技術高度發展的時代，電源的應用更加廣泛，這也對電源的功能提出了更高的要求。因此，在進行電源設計時，都希望縮短開發周期，使產品變更參數時設計靈活，降低開發成本，減小電源體積，使其可靠性高，輸出電壓可調性好，便于冗余設計，具有優良的電磁兼容性等。電源模塊由于優化了開關電源電路，采用先進的制造工藝，將復雜的開關電源濃縮成小體積的電源模塊，適合了上述技術要求，因此得到廣泛的應用。

Vicor公司在2000年前后，在VI-200和VI-J100的基礎上，推出了新一代電源模塊——MAXI、MINI和MICRO系列電源模塊。

首先，在準諧振電路基礎上，在共漏極主開關管實現了零電流ZCS和零電壓ZVS軟開關技術，進一步減少了損耗和噪聲。其次，輸入和輸出分別采用主控MCU和輸出控制MCU智能管理，并有變壓器隔離，增加了控制功能和抗干擾能力。最高工作頻率可以達到2MHz。

在工藝上，增加了器件的集成度，減少了元器件數量，減少了主要功率器件的熱阻。總之在效率和功率密度上都有了較大的提高。

本開關電源的數字調壓是基于以上VICOR模塊進行設計的。總體數控調壓開關電源的方案原理框圖如圖1所示。

輸入整流濾波電路將輸入交流220VAC電壓整流濾波成為高壓直流電，提供給功率轉換電路和輔助電源電路；輔助電源電路為功率轉換電路提供12V輔助電源；緩啟動控制電路在電源開機時有效的控制輸入端沖擊電流，提高電源的工作可靠性；開機控制電路通過接收外部的模擬開機信號進行開關機控制；保護電路是當電源出現輸出過壓、輸出過流、輸出短路、輸出過熱等故障時，對電源起到保護作用的電路設計；信號處理電路主要功能是將開關電源的輸出電壓信號、輸出電流信號、輸出過壓信號、輸出過流信號、輸出短路信號、輸出過溫度信號等通過以太網口上傳給上一級系統，同時，上一級系統也可以通過以太網口對開關電源進行輸出電壓的設置。

本方案重點描述圖1中數控調壓電路部分。該部分電路設計主要包括信號處理電路設計、功率轉換電路設計和以太網口設計等。

2 開關電源的數控調壓設計及實現

針對上述開關電源設計的方案，介紹開關電源的數控調壓電路設計過程包括數字調壓電路設計（信號處理電路）、功率轉換電路設計（基于VICOR模塊設計）、調壓接口電路設計（信號處理電路）、網絡接口設計（以太網口）等。

2.1 數字調壓電路設計

本開關電源的輸出調壓信號采用T1的12位D/A轉換器TLV5638QD完成，具體對應關系為控制信號0～5V對應開關電源輸出電壓為0～50V，CPU和DA轉換器之間依靠SPI通信總線來控制，最終通過運算放大器LM258構成跟隨器將數字調壓信號輸出為VSET。具體電路圖如圖2所示。

2.2 功率轉換電路設計

本電源的功率轉換部分采用Vicor模塊進行設計，本設計選用的Vicor模塊型號為V300A36T500BL，額定輸出電壓為36V（本電源模塊的輸出電壓范圍為3.6～39.6V）。當該Vicor模塊輸出電壓為額定輸出時，SC管腳所對應的輸出電壓為1.23V。即1.23V對應36V的輸出電壓，根據3.1的數字調壓設計電路可以按需設置所需要的輸出電壓。

2.3 調壓接口電路設計

由于Vicor模塊的輸出端SC腳可以外接電壓，從而達到調節輸出電壓的目的，調節Vicor模塊的輸出電壓有兩種輸入，一種是采取運算放大器和數模轉換器產生的電壓；另一種是外加其他電壓產生的輸出電壓。這兩種外加電壓的區別就是前一種電壓調低輸出電壓的時候，并沒有形成回路，因此需要一個接-S的電阻，形成一個電流回路，保證SC腳的電壓在要求的數值。根據設計需要，本開關電源的數字調壓接口電路按照第一種方式進行設計。具體的調壓接口電路如圖3所示。

根據設計的要求和實際測試可知，圖3中的R1、C1、L1的取值如下。

R1：RJ24-0.25W-100Ω±1%；C1：CD263-10V-2.2uF±20%；L1：75μH。

2.4 網絡接口設計

網絡接口實現將開關電源的工作狀態轉化為數字量通過網絡接口傳遞給上級系統并可以與上位機進行數據交互，實現軟件的遠端調壓控制功能。上位機通過查詢主、副網絡接口任意一個IP地址，即可以系統的工作參數，其中一路故障后，另外一路還可以負責傳遞故障參數，網絡接口采取主副通信模塊冗余的控制設計方案，其中主、副網絡接口分配為不同的IP地址，由于本設計是采用主、副通信模塊冗余設計，分別有兩個嵌入式CPU進行控制，不能實現雙網卡綁定，只有同一個CPU控制下的兩個網絡控制器才能實現不同的接口綁定同一個IP地址，實現的方式是CPU偵測其中的一個網絡接口，如果發現不能連接等故障后，自動切換到另外一個網絡接口實現連接通信，綁定過程依靠軟件偵測來實現。

網絡通信過程中涉及查詢參數和控制參數，其中查詢參數包括每臺電源的輸出電壓、輸出電流、過壓保護信號、過流保護信號；設置參數主要包括開關電源的電壓輸出控制參數等。

3 試驗驗證及結論

本開關電源的輸出電壓設置為30V，最大輸出電流為30A。

根據本開關電源的設計方案進行樣機的安裝和調試。經過測試，得到的結果是數控調壓開關電源的設計合理可靠，調壓電壓與設置輸出電壓成線性比例，調壓電壓經過信號傳遞至VICOR模塊的SC端穩定可靠，滿足VICOR模塊的調壓要求。

參考文獻

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