一種除塵電源控制板的AC/DC電路設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)寬輸入范圍的直流穩(wěn)壓電路。該電路由BUCK電路、反饋電路、PWM波形發(fā)生電路組成。本文在分析主電路工作原理基礎(chǔ)上，根據(jù)性能要求對(duì)電路各個(gè)環(huán)節(jié)的元件進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算與選型，并據(jù)此制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)展開(kāi)了調(diào)試和空載-負(fù)載實(shí)驗(yàn)。本文介紹了調(diào)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程并給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。本文分析結(jié)果表明，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在輸入交流電壓出現(xiàn)2.5%波動(dòng)條件下能保持24V直流輸出。該電源作為除塵電源的控制板中作為輔助供電使用，實(shí)驗(yàn)證明該電路運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：Buck電路；PWM；穩(wěn)壓；電壓反饋；開(kāi)關(guān)電源

引言

開(kāi)關(guān)電源在電子設(shè)備應(yīng)用方面涉及范圍極廣，且在未來(lái)具有極大的發(fā)展空間。在電子產(chǎn)品中，有絕大部分都是不可以直接使用市電壓的，只能使用低壓直流電作為輸入，這就引出了恒壓轉(zhuǎn)換電源的設(shè)計(jì)，恒壓電源可以有效的將市交流電轉(zhuǎn)換成電子產(chǎn)品所需的低壓直流電，不同的電子產(chǎn)品對(duì)電源的要求也不一樣，但是大多常見(jiàn)的電子產(chǎn)品都對(duì)電壓有特定的要求，本設(shè)計(jì)研究的電源作為除塵電源控制板的供電部分使用，所以本次設(shè)計(jì)的恒壓電源要求輸出電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

1.硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)電路由降壓電路，整流電路，濾波電路，Buck電路，二次濾波電路以及分壓反饋電路等幾個(gè)主要的模塊構(gòu)成，如圖1所示：

1.2降壓變壓器選擇

大本設(shè)計(jì)以Buck電路為主電路，以TL494脈寬信號(hào)發(fā)生芯片作為電路控制芯片，PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)IR2104S芯片搭建的驅(qū)動(dòng)電路作用于IRF540N功率開(kāi)關(guān)晶體管。電路中存在兩種不同電壓等級(jí)的工作電壓，即芯片的工作電壓以及主電路的工作電壓；芯片的額定工作電壓為12-15V，主電路的額定工作電壓為25-35V。交流電經(jīng)過(guò)橋式整流以及濾波后，其整流后直流電電壓。依據(jù)該公式可得變壓器二次側(cè)輸出交流電壓有效值為24V時(shí)，主電路就處于正常工作電壓范圍。芯片工作電壓可用LM2576穩(wěn)壓芯片提供，該芯片的最大工作電壓是37伏。本設(shè)計(jì)電路的額定輸出電流為2A的電流，算上附加在線路上的損耗以及外圍電路的損耗估算出該變壓器的容量為75VA。

1.3 整流濾波電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路。橋式整流可以使變壓器的利用率得到最大化，整流后的直流電壓波紋相對(duì)于半波整流更小。在圖2所示中，當(dāng)交流電壓波形在正半軸時(shí)，D2和D3都受到正向電壓而導(dǎo)通，和負(fù)載形成回路供電，而D1和D4都受到反向電壓的作用而截止；當(dāng)交流電壓波形在負(fù)半軸時(shí)，D2和D3都受到反向電壓作用而截止，但是D1和D4都受到正向電壓作用而導(dǎo)通，形成新的回路為負(fù)載供電；該電路的輸出電壓波形經(jīng)過(guò)對(duì)比全波整流輸出電壓波形圖可以看出，橋式整流電路輸出的電壓波形和全波整流電路輸出的電壓波形一樣。

1.4 控制電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

TL494脈沖發(fā)生芯片是一種電壓控制型芯片，其反饋電路簡(jiǎn)單，外圍電路簡(jiǎn)單，工作可靠。本設(shè)計(jì)的控制電路如圖3所示，TL494的引腳1和引腳2以及引腳15和引腳16為誤差比較器的輸入端，引腳3為反饋信號(hào)輸入端；引腳13為輸出方式設(shè)定信號(hào)輸入端，當(dāng)該引腳接地的時(shí)候，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)輸出晶體管并聯(lián)工作，輸出電流最大可達(dá)400mA，輸出波形最大占空比為96%，本設(shè)計(jì)將該引腳接地工作，使得輸出波形占空比調(diào)節(jié)范圍更加大。Buck電路采用IR2104S作為驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片外圍電路比較簡(jiǎn)單，如圖4為該電路的典型應(yīng)用場(chǎng)合。

1.5 輔助電源電路的設(shè)計(jì)

考慮到主電路整流濾波后得到的電壓在25V-35V范圍內(nèi)，而控制電路的額定工作電壓是9 -15V，本設(shè)計(jì)采用 LM2576作為變換芯片，該芯片工作效率比較高，其設(shè)計(jì)如圖4所示，該電路極為簡(jiǎn)單，芯片的管腳1為正極輸入引腳，管腳3為公共負(fù)極，管腳4為反饋輸入引腳，是調(diào)節(jié)輸出電壓的引腳，管腳5為芯片工作開(kāi)關(guān)引腳，為了使得電路通電后該芯片就開(kāi)始工作，所以該引腳與3號(hào)公共負(fù)極引腳相連。管腳2為輸出正極引腳，其中輸出端上所接的電感L和電容C0組成輸出低通濾波電路，二極管D用來(lái)續(xù)流。

1.6 功率模塊主電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)了主模塊電路如圖5所示。圖中開(kāi)關(guān)晶體管Q1和開(kāi)關(guān)晶體管Q2不能同時(shí)導(dǎo)通，不然電路會(huì)出現(xiàn)短路故障，但本次設(shè)計(jì)選用的是IR2104S驅(qū)動(dòng)芯片，這個(gè)芯片可以將一個(gè)PWM脈沖信號(hào)分成兩個(gè)放大且反向的脈沖信號(hào)，兩者之間不會(huì)同時(shí)處于高電平或者同時(shí)處于低電平，使得兩個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管一直處于交替工作的狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管Q1導(dǎo)通的時(shí)候，輸出電路與電源電路接通，這時(shí)候，電源電路給負(fù)載供電，同時(shí)給電感L1和電容組C1、C2和C3充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管Q2導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)晶體管Q1關(guān)斷截止，電源電路和輸出電路斷開(kāi)，這時(shí)候電感L1和電容組C1、C2和C3對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，通過(guò)開(kāi)關(guān)晶體管Q2和負(fù)載之間形成一個(gè)新的供電回路，二次濾波電路由電感和電容組成，它的作用是減小輸出波紋，分壓反饋電路主要是在輸出上采樣得到一個(gè)電壓信號(hào)，作為調(diào)節(jié)PWM脈沖信號(hào)占空比的輸入信號(hào)。

3.系統(tǒng)硬件制作及測(cè)試設(shè)計(jì)

3.1 整流濾波電路的測(cè)試

安照第二小節(jié)所述的電路設(shè)計(jì)制作整流濾波穩(wěn)壓部分硬件，以交流24V作為測(cè)試用輸入電壓，示波器測(cè)試如圖6所示，從圖中可以看出整流后脈動(dòng)成分大部分已經(jīng)被濾波電容濾去，而經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管后輸出電壓基本比較穩(wěn)定，可以保證后續(xù)控制電路供電。

3.2 PWM控制及驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試

從上述波形圖中可以分析其控制芯片都能夠正常工作，圖7為空載時(shí)候波形圖，當(dāng)加上負(fù)載時(shí)可以明顯觀察出PWM信號(hào)占空的變化，因此可以初步判斷其正常工作，并且反饋控制也得到體現(xiàn)。

4 實(shí)物效果及測(cè)試

本設(shè)計(jì)采用10歐姆的的金屬康銅電阻作為額定測(cè)試負(fù)載，測(cè)試效果如下圖8所示，測(cè)量模塊采用市用電壓表頭，從測(cè)試效果圖中可以觀察到輸出電壓穩(wěn)定在24V，并且從電壓表頭的觀察中也可以看出其電壓跳動(dòng)在±0.5V以?xún)?nèi)，可以初步判斷其紋波小于2.1%。此時(shí)通過(guò)計(jì)算得到電源輸出功率為57W，已經(jīng)滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求可以作為除塵電源控制板的輔助電源供電使用。

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作者簡(jiǎn)介：

朱浩亮（1986-），男，浙江永康人，漢族，碩士，講師，主要研究領(lǐng)域：電子技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)；

項(xiàng)目基金：

該設(shè)計(jì)為本人研究生課題（高壓除塵電源）子課題，為控制板部分供電電路。