小功率高壓隔離電源的設計與實現

文/趙韶華 王妍力 雷騰飛

隨著科學技術的迅速發(fā)展，日常生活和工業(yè)生產中電氣設備越來越多，高壓設備擊穿空氣放電和大功率電機啟動停止產生大量干擾，對供電電源也提出了新的要求。開關電源因轉化效率高，體積小等優(yōu)勢得到廣泛的應用，國外開關電源研究起步較早，1955年美國科學家羅耶提出了利用磁芯飽和的特點來進行自激振蕩的晶體管直流變換器；1964年美國提出串聯開關電源，促進開關電源的發(fā)展；1988年，國外科學家提出移相全橋變換器的概念；2000年，Hiromitsu提出了帶有變壓器隔離的半橋變換器。相比而言國內發(fā)展相對緩慢，2007年，錢荔提出了推挽全橋雙向DCDC變換器；2016年史春玉提出軟開關推挽正激變換器。帶變壓器的隔離電源可以實現兩個模塊之間的電源線隔離，防止危險信號的相互串擾，實現每個模塊獨立供電，防止一個模塊因受高壓放電或其它原因導致的損壞波及其它模塊，提高了電路的可靠性。

目前市場上常見的變壓器隔離電源是將實驗的輸入電源采用1:1的工頻變壓器與市電進行隔離，這樣工作人員不論接觸哪條線都不會發(fā)生觸電的危險，但是工頻變壓器體積較大。本文用SG3525為控制核心，提高隔離變壓器的工作頻率，隔離變壓器的工作頻率不再是50Hz，減小變壓器體積，采用半橋的變壓器驅動方式，輸出經過全橋整流與濾波，設計相關過流保護電路，并給出實驗結果及分析。

1 系統組成

圖1：系統結構圖

圖2：SG3525的PWM產生電路

圖3：半橋驅動及其后續(xù)電路圖

隔離電源系統主要包括過流保護電路、SG3525控制電路、半橋驅動電路、整流濾波電路等部分。隔離電源系統結構圖如圖1所示。直流電源為系統提供直流電源9-15V，SG3525為控制核心，提供逆變所需的PWM波，隔離變壓器采用半橋驅動，變壓器輸出經過橋式整流電路DB207整流成直流，再經濾波輸出，最后得到所需直流電壓。

2 硬件電路的設計

8～24V，內部自帶5.1V精準電壓參考源，PWM輸出頻率為100 Hz～400 kHz，適用于多種開關電源的控制。本文設計的隔離電源采用的PWM控制方式，SG3525的PWM產生電路如圖2所示。隔離的電源的PWM頻率與開關電源控制不同，不需追求高頻率，提高電源效率。SG3525的振蕩頻率由取決于5引腳CT端外接的定時電容C2，6號引腳RT端外接的定時電阻R10和放電電阻R12的大小。根據公式：

2.1 控制電路的設計

隔離電源的控制核心為美國通用公司生產的脈寬調制器SG3525，其工作電壓為

式中C2、R10、R12分別取值為0.1 uF、20 kΩ、43 Ω，計算出振蕩頻率為743.2 Hz。SG3525的輸出引腳OUTA和OUTB輸出的PWM波的頻率為371.6 Hz。輸出OUTB直接驅動后續(xù)器件，OUTA通過2個PNP三極管進行信號調整，保證有足夠的死區(qū)時間。

圖4：過流保護電路

圖5：SG3525輸出PWM波形圖

圖6：隔離輸出效果圖

2.2 半橋驅動及其后續(xù)電路的設計

常見的變壓器驅動方式有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式（圖3）和全橋式；其中單端反激和單端正激為單端隔離式變換器，這類變換器磁芯利用率不高；推挽式、半橋式和全橋式都是雙端隔離式變換器，磁芯利用效率較高；推挽式變換器主要應用于低電壓大電流的工作環(huán)境中，全橋驅動適用于大功率的工作環(huán)境。半橋驅動主要有兩個MOS管M1、M2，兩個電容E10、E11和變壓器T1組成，其電路圖如圖4。DR1、DR2的PWM波控制MOS管M1、M2的關斷，從而控制變壓器的工作。變壓器的骨架采用EI28×12，變壓器的工作頻率為370 Hz在左右，為減少變壓器的發(fā)熱量采用0.35 mm的硅鋼片。變壓器的輸出接DB207整流橋進行整流，經電容E3濾波，輸出所需要的直流電源，電阻R24阻值為2kΩ，目的是減少電路開始啟動時電壓脈沖沖擊。

3 過流保護電路的設計

隔離電源為了保證較好的隔離效果，沒有設計輸出電壓反饋保護，為了防止后續(xù)電路的短路等危險，在電路的前端設計了過流保護電路，具體電路圖如圖4。過流保護電路主要利用SG3525的16引腳輸出5.1V的精準電壓和10號關斷引腳進行設計。在直流電源主電路上設置50毫歐的錳銅采樣電阻，用來測量流入隔離電源的總電流，再使用LM358放大器 設計100倍的差動放大器，最終將錳銅電阻上的電壓進行放大。假設流過錳銅的電流為I，則經過放大后U1輸出電壓為5I。U1的輸出作為U2電壓比較器的輸入；U2的輸入基準電壓采用電阻分壓的方式，用2kΩ和100kΩ的電阻將SG3525的16號引腳輸出的5.1V精準電壓源進行分壓得到5V的電壓比較器的輸入基準。這樣當電流I大于1A時，U2輸出高電平，電流I小于1A時，U2輸出低電平。U2的輸出連接到S3525的10號引腳，當10號引腳為高電平時SG3525不工作，電源不工作，10號引腳接低電平時SG3525正常工作。這樣就能保證隔離電源輸入電流不能超過1A，實現過流保護目的。

4 實驗結果

隔離電源經實驗驗證，電容C2取值為0.1 uF，電阻R10取值為20kΩ，電阻R12取值為43Ω，SG3525輸出PWM波為371.6Hz，其示波器監(jiān)測SG2525輸出PWM波形如圖5,因電阻電容誤差圖5與理論結果有0.2Hz誤差。隔離電源后接高壓放電設備時，示波器監(jiān)測其輸出與輸入隔離效果如圖6。圖6中黃色線為隔離電源的輸出，其波形由于負載的干擾，出現較大的波動；圖6中藍線為隔離電源的輸入，對比得出，負載的干擾被隔離電源隔絕，沒有反作用到隔離電源的輸入端，實現隔離電源的目的。

5 結論

文中設計并實現了基于SG3525的小功率隔離電源的設計，在保留隔離效果的同時減小了常用工頻隔離電源的體積。該方案利用SG3525產生PWM波，半橋驅動隔離變壓器，通過自身關斷引腳設計過流保護電路，實現輸出功率5W，該方案設計簡單，原理清晰，已經成功應用在高壓放電設備中，并獲得良好的效果。