一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源的設(shè)計

董浩然

摘 要：本文介紹一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源的設(shè)計方案，該裝置不僅可以作為直流電壓源用于檢定，而且可以通過改動部分電路及器件成為一個功能模塊，應(yīng)用到其他儀器的設(shè)計中去，使該裝置得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高功率因數(shù);數(shù)字可調(diào);開關(guān)電源;直流電壓源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.106

在我們目前使用的開關(guān)電源中，很多都是利用全橋電路對直流電壓進(jìn)行斬波，再通過數(shù)字器件控制各開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制生成的電壓。例如：筆記本電腦電源適配器的設(shè)計原理就是應(yīng)用開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制的。其充電的工作過程如下：220v 交流輸入電壓經(jīng)橋式整流電路整流、濾波后得到約 300v 的直流電壓，該電壓一路經(jīng)開關(guān)變壓器后加至場效應(yīng)開關(guān)管D 極，另一路經(jīng)降壓后得到的啟動電壓給PWM芯片供電，使其內(nèi)部振蕩器起振，輸出調(diào)寬脈沖電壓（PWM） ，驅(qū)動開關(guān)管，使其工作在開關(guān)狀態(tài)。在此工作過程中，要求該電壓源要穩(wěn)定，而且開關(guān)電路的設(shè)計要達(dá)到要求。

1 硬件設(shè)計

（1）隨著電子器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的功率因數(shù)校正芯片、BUCK降壓芯片、光耦、數(shù)字定時計數(shù)芯片和直流電壓源的制作技術(shù)都有了很大的提高，這樣就給文中一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源的設(shè)計提供了優(yōu)良的知識儲備與硬件條件。下面介紹由UCC28019、XD308H、線性光耦EL305X、OP07和依靠555定時器進(jìn)行PWM控制輸出設(shè)計而成的一種高功率因數(shù)數(shù)字可調(diào)式直流電壓源。其原理框圖如圖1所示：

該裝置的PFC-boost部分選用數(shù)字芯片UCC28019，該芯片無需進(jìn)行編程，由于其功率因數(shù)校正能力較強(qiáng)，所以選用該器件不僅滿足高功率因數(shù)電源的設(shè)計需要，還簡化了硬件電路設(shè)計。由于該電壓源設(shè)計方案的要求是數(shù)字型，故而減少了在模擬器件上不必要的功率損耗。該設(shè)計方案中光耦隔離傳壓部分選用國產(chǎn)的線性光耦EL305X，其控制芯片選用于1971年由西格尼蒂克公司推出的555定時器，由于其易用性、低廉的價格和良好的可靠性，直至今日仍被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中。UCC28019芯片、光耦EL305X及555定時器的電源電壓均由芯片XD308H及其外圍電路經(jīng)過降壓得到。由于一些芯片的電源特殊性，在進(jìn)行設(shè)計時有時需要利用OP07進(jìn)行電流消耗。

（2）裝置方案的工作過程。該裝置方案的工作過程如下：220V交流市電經(jīng)過整流電路輸出約為400V的直流電壓，再將生成的400V電壓作為XD308H及UCC28019的3、4腳的電壓輸入，XD308H及其外圍電路將400V電壓轉(zhuǎn)換為低壓12V作為UCC28019芯片及555定時器的電源輸入，UCC28019及其外圍電路部分的輸出電壓為400V，其輸出端連接一電壓互感器，對輸出電壓進(jìn)行實(shí)時檢測。其中光耦EL305X的隔離端與400V直流電壓相連，通過調(diào)節(jié)555定時器引腳上串聯(lián)的電容和電阻的值改變該芯片及其外圍電路輸出方波的占空比從而控制光耦的通斷，進(jìn)而對整個電路的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）在硬件電路設(shè)計調(diào)試時應(yīng)注意的問題：

1）整流部分的輸入必須并聯(lián)一適合的壓敏電阻作為電路的過壓保護(hù)，除此之外還要串聯(lián)一個保險絲用來抑制不正常的輸入電流，對可能的尖鋒電壓起到雙重保護(hù)。

2）整流部分的整流橋要選用快速二極管，解決普通二極管在開關(guān)過程中的開關(guān)延時以及對電路造成的諧波干擾，進(jìn)一步提高該電壓源設(shè)計方案的功率因數(shù)。

所選快速二極管*RU2構(gòu)成的整流橋放大倍數(shù)為1.818，耐壓600V，滿足實(shí)際電路需求。電路平均電流約為0.5A。相應(yīng)計算如下：

400v÷220v≈1.818

220√2 v×1.5=466.690v<600v

0.5A×1.5=0.75A

3）BUCK芯片選用XD308H，其外圍電路簡單、BOM成本低（外圍元件數(shù)目極少：無需變壓器、無需光耦），使生產(chǎn)制作的電源體積較小、無音頻噪音、損耗小、發(fā)熱低。

4）對于強(qiáng)電的電壓變換，電網(wǎng)電壓和變換后的電壓都可能會對電路帶來干擾，本設(shè)計方案選用工作在CCM模式下的PFC芯片進(jìn)行功率因數(shù)校正。

5）根據(jù)筆者的使用經(jīng)驗(yàn)，在對UCC28019的操作中應(yīng)注意以下幾個問題：

①注意VINS腳的分壓電阻。

②若印刷板空間許可，可在UCC28019的SENSE和VINS腳與需要變換的電壓之間加入光電隔離。這樣雖然增加了元器件，使電路的復(fù)雜性增加，但可使UCC28019的工作更加穩(wěn)定與安全。

③在滿足所有技術(shù)要求的前提下，應(yīng)盡量降低電路的復(fù)雜性提高安全性，使電路更加穩(wěn)定與安全。同時印刷板應(yīng)采取良好的抗干擾措施，在電路紋波或其他干擾比較嚴(yán)重時，要注意檢查電路的各個部分，比如UCC28019的VINS腳的分壓電阻，查找官網(wǎng)上芯片的設(shè)計excel表檢查電路參數(shù)設(shè)置，以保證電路的可靠運(yùn)行。

④由于UCC28019參與的PFC-boost部分使用了數(shù)字地和模擬地，則模擬地和數(shù)字地應(yīng)單點(diǎn)接地，避免地線引入干擾。

2 技術(shù)指標(biāo)

為了考察該裝置的穩(wěn)定性，將電路的電源輸入接入220V交流市電，在光耦滿占空比時，該電源應(yīng)有的輸出為400V，由于電路損失，其最大輸出實(shí)際應(yīng)在400V附近。

3 結(jié)束語

該裝置的設(shè)計方案不僅可以作為直流電壓源直接使用，而且可通過改動部分電路，使之成為一個功能模塊應(yīng)用到其他儀器電路中。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳迪亮.雙閉環(huán)控制精密直流信號源的研究與設(shè)計[D].蘇州大學(xué)，2015.

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