滿足多種供電輸入的大功率電源設計

駱訓衛,宋金華,林蘭修,吳 林

(同方電子科技有限公司，江西 九江 332002)

0 引言

供電電源是所有電子設備不可或缺的一部分，供電電源性能的好壞直接關系到設備的使用性能。針對一款大功率電子設備的供電，設計了一款3 kW以內體積小、效率高的兩種供電輸入方式的供電單元，該供電單元為多路直流輸出，可以同時給設備功放以及其他單元供電。輸入供電方式既可以是單相220 V，也可以是三相四線380 V，功率因數可以達到0.99以上。

1 系統結構及原理

如圖1所示，供電單元包括以下幾個功能電路部分：輸入濾波電路；PFC電路；DC/DC電路；微機控制電路；具有主電源電壓調壓功能、溫度檢測功能、電壓電流檢測功能、對電源模塊的啟動進行監測和控制、與上位機通信功能。

圖1 系統結構及原理框圖

交流輸入經三路PFC電路變換成三路直流輸出高壓，直流高壓分別送給后端的24 V、36 V高壓電源轉換模塊供電得到相應的電源電壓，其中36 V給功放末級供電，24 VA、24 VB、24 VC給設備其他單元供電。

微機控制電路，內置單片機可實現：遙控開關機功能；監測各路輸出的電壓、電流；監測整機機內溫度；對各電源模塊啟動進行控制；對36 V輸出電壓進行調節；通過串口與上位機微機單元通信，執行上位機下達的命令；上傳溫度、電壓、電流等信息。

2 多種供電輸入方式

供電單元分兩種供電輸入方式：可以是單相220 V也可以是三相四線制380 V。當單相220 V輸入時：三路濾波器均接入同一路220 V電源；當三相四線380 V輸入時，每路濾波器分別接入A、B、C相的220 V電源，36 V主電源由三路獨立的1 kW電源模塊均流并聯組合而成，保證了三相電流的平衡性。這兩種供電輸入方式既能使用普通標準的16 A電源插頭，滿足一般環境下的市電供電要求，也能滿足特殊供電要求下三相四線380 V的供電要求。本供電單元設計的交流輸入電壓范圍比較寬，在176～264 V的輸入條件下，供電單元能穩定正常的工作。涵蓋了國內交流輸入范圍和輸入方式的供電要求。

3 硬件設計

3.1 主要參數指標

1)交流輸入：單相220 V或三相四線380 V;

2)直流輸出：直流輸出36 V/60 A,三路獨立的24 V/6 A;

3)保護功能:電路具有輸入過欠壓保護、輸出過流保護、輸出短路保護、輸出過壓保護、過溫保護;

4)指示:用雙色發光二極管指示整個供電電路啟動和關閉狀態，橙色表示有交流輸入待機狀態，開機過程中紅綠交替閃爍，當各個工作電路啟動后，為綠色；

5)數據通信傳輸:通過422串口與上位機通信，上傳各路直流輸出電壓電流信息，控制各個模塊的啟動和關閉，八級階梯式調壓網絡調節直流36 V的輸出電壓大小。

3.2 輸入濾波電路

電源輸入端設計有電源濾波器，分三路獨立的輸入濾波電路，開關電源本身就是很強的干擾源，濾波器可以有效的抑制設備內部干擾通過電源線反竄至設備外部，同時濾波器可以有效的抑制設備外部干擾信號通過電源線耦合作用到設備內部。該電源濾波器采用法蘭盤安裝方式，安裝的位置盡量靠近電源輸入端，濾波器的外殼為地，接地方式是通過設備底板或面板連接，一定要注意底板或面板安裝位置的油漆涂覆防護，確保濾波器的接地可靠性，保證設備的電磁兼容性試驗要求。

3.3 PFC電路

PFC電路選擇功率因數校正模塊，該模塊的輸入電壓范圍為：交流85～264 V，效率高達96%以上，功率因數大于0.99，輸出電壓為390 VDC，模塊具有使能控制和負載使能控制，輸出功率為1 600 W，為標準全磚封裝，高度為12.7 mm[1]。

功率因數校正模塊具有輸入過欠壓保護、輸出過流及短路保護、輸出過壓保護、過溫保護。設計有三路獨立的相同PFC電路為后端電路提供390 V高壓直流輸入。

3.4 DC/DC電路

3.4.1 36 V DC/DC電路

3.4.1.1 主電路

36 V DC/DC電路選用寬范圍、高可靠、高效率的單路輸出隔離DC/DC模塊，該模塊輸入電壓范圍為300～450 VDC，輸出功率1 000 W，為標準全磚封裝，高度為12.7 mm。模塊提供使能控制，鋁基板工作溫度可高達100 ℃。

該模塊具有輸入過欠壓保護、輸出過流及短路保護、輸出過壓保護、過溫保護、多模塊并聯均流功能[2]、輸出電壓調節功能和輸出故障檢測功能。

36 V DC/DC電路圖見圖2，本模塊選用負邏輯使能控制，采用三塊同款模塊進行并聯均流輸出，一方面能保證提供功放電路足夠的功率[3]；另一方面保證功放電路的直流供電電壓輸入的一致性[4]；還一方面是保證模塊輸出功率的均衡性[5]。

圖2 36 V DC/DC電路

3.4.1.2 調壓電路

為了滿足后端主電路供電電壓實時調節需求，通過微機單元的三根I/O控制信號控制電源模塊的調壓電阻網絡，實現36 V電源自34 V至41 V之間的8檔電壓的實時調節，其調壓原理如圖3所示。

圖3 調壓原理圖

調壓電路通過改變模塊的TRIM腳對輸出正極的電阻網絡阻值大小可以往上調節其輸出電壓；調節其TRIM對輸出負極的電阻阻值大小可以往下調節其輸出電壓。本調壓電路經過精心調配電阻和來自微機單元的三根I/O控制口，其分別控制上調、下調電阻網絡的阻值，實現調整階梯式八級電壓，可以實現從34～41 VDC的均勻性和間隔性電壓調整，可以完美的匹配整機主電路供電的要求。

3.4.2 24 V DC/DC電路

3.4.2.1 24 VA DC/DC電路

24 VA DC/DC電路選用模塊的輸入范圍：200～415 VDC，輸出功率150 W，標準的四分之一磚封裝，高度12.7 mm，采用鋁基板及封閉式結構；具有高可靠性、高效率、高功率密度、低紋波噪聲等特點，具有輸入欠壓保護、輸出過流及短路保護、輸出過壓保護和過溫保護。

24 VA DC/DC電路是一個常工作電路，當濾波電路接入交流后，使用橋堆整流后的直流300 V電壓通過單向導通二極管給模塊B3供電，輸出直流電壓24 V，此輸出電壓給微機電源模塊供電，輸出端使用發光二極管指示當前電路的工作狀態，當微機接收到上位機開機命令后，微機發出PFC1電路繼電器接通的命令，輸出直流24 V給PFC1電路中繼電器線包1K1供電，繼電器吸合，交流通過濾波電路給B1模塊供電，PFC1電路啟動。當高壓390 V穩定輸出后，通過單向導通二極管給模塊B3供電，此時橋堆整流后的電壓低于PFC1電路輸出電壓值，24 VA模塊轉為PFC1電路供電，直流輸出24 VA給后端電路供電。

3.4.2.2 24 VB、24 VC DC/DC電路

24 VB、24 VC DC/DC電路選用的模塊與24 VA電路中模塊相同，分別由PFC2、PFC3電路供電，在微機命令控制PFC2、PFC3輸入電路中繼電器2K1、3K1吸合后，PFC2和PFC3電路啟動，給模塊B6(24 VB模塊)、B9(24 VC模塊)供電，輸出直流24 VB、24 VC給后端供電。

3.5 微機電路

微機電路見圖4，控制部分的核心由4N1(C8051F330)單片機組成[6]。該單片機集成有Flash、內部數據RAM、10 位AD、10為DAC,17個端口I/O引腳等，是一款高效的8 位微處理器，極大地簡化了硬件電路設計。該單片機可以控制模塊使能電路達到供電電路的啟動功能；控制36 V DC/DC輸出電壓來匹配末級功放輸入電壓；檢測整機的溫度，控制各電源模塊的啟動，對直流輸出的電壓、電流進行采樣[7]。交流輸入接通濾波器電路后，24 VA常開電路工作，輸出24 VA，再經過微機電源模塊轉換成直流3.3 V。

圖4 微機電路

3.6 開機指示電路

開機指示電路見圖5，“開機指示”電平為低電平時，三極管4V3處于截止狀態，3.3 V電壓經過限流電阻4R5、綠色發光管和4R6，作用在三極管4V2的基極，此時，4V2基極有微弱電流流過，4V2發射機和集電極處于導通狀態，紅色發光管點亮；

圖5 開機指示電路

“開機指示”電平為高電平時，三極管4V3處于飽和導通狀態，綠色發光二極管的截止端基本為零電位，4V2處于截止狀態，電壓經過限流電阻4R5、綠色發光二極管和4V3形成回路，綠色發光管點亮。

3.7 采樣電路

電壓采樣電路通過精密電阻分壓原理采樣直流輸出36 V、24 VA、24 VB和24 VC的電壓；通過霍爾電流傳感器采樣36 V的輸出電流；通過溫度傳感器緊貼整機散熱集中的地方，采樣整機最真實的溫度數據；將溫度采樣數據送入單片機P1.0數據口，電壓和電流采樣數據通過多路模擬開關送入單片機P1.1數據口。

圖6 多路模擬開關電路

3.8 輸入過欠壓電路

輸入過欠壓電路如圖7所示，每路濾波器輸出電路后都接入橋堆，橋堆整流后的電壓送入光耦初級，三路光耦次級輸出采用串聯連接方式，過欠壓數據GQY通過采樣電路送入多路模擬開關，再送入單片機P1.1數據口。

圖7 輸入過欠壓電阻網絡

當某一路交流輸入或某一相交流輸入缺失時，GY和QY2懸空，可以檢測交流輸入是否正常；當滿足三路交流輸入時，GQY電平隨交流輸入電壓增大而變小。通過設定GQY電壓大小來設置輸入過欠壓的交流電壓數值。

4 軟件設計

采用模塊化軟件設計，在主程序中套用各功能子程序，這樣設計軟件邏輯嚴謹、條理清晰。包括有電壓采樣子程序、電流采樣子程序、溫度采樣子程序、串口通信子程序、調壓子程序。軟件流程圖見圖8。

圖8 軟件流程圖

4.1 電壓電流采樣

單片機內置10位AD，通過控制多路模擬開關來實現對六路模擬信號進行采樣。

4.2 溫度采樣

單片機采樣溫度傳感器的溫度數據，輸入到單片機的P1.0數據口。

4.3 狀態監測

單片機內置10位AD，實現對36 V 、24 VA、24 VB、24 VC等輸出電源的電壓、電流進行采樣監測；對整機工作溫度進行監測。

4.4 調壓程序

單片機通過控制P0.1、P0.2和P0.3三個I/O口的電平來控制調壓電阻網絡的接通和關閉，實現八種不同電阻網絡阻值的切換，對應八種設定電壓值。

4.5 串口通信

微機控制通過串口與上位機通信；數據傳輸速率為9 600 b/s。電源接收來自上位機的開/關機命令，并執行電源的開/關機命令；接收來自上位機的狀態查詢命令，并返回電源的電壓、電流、溫度等信息；接收來自上位機的調壓命令，并執行調壓程序，把36 V的功率電源電壓快速的調整到指定的電壓值。

5 熱設計

供電單元內部熱設計最大限度的利用導熱、對流和輻射散熱。供電單元采用獨立的結構單元設計，內部元器件排列有序，有利于流體的對流換熱，關鍵元件置于進口氣流溫度低處，比如：單片機、電流傳感器、采樣電路、串口芯片和多路模擬開關等器件[8]。電源模塊置于風道中，采用電源模塊加裝散熱器和強制風機抽風對流來散熱[9]；一方面，側板與上下蓋板采用密封結構處理，前后面板最大限度的保證進風口和出風口的風道尺寸，各個模塊的散熱齒、風道與風機風向都保持相同的方向，盡量減小風道的阻力損失；另一方面，合理選用風機型號，風機的高度盡量在不影響安裝上下蓋板與器件沖突的前提條件下選擇風機風量比較大的型號。風機的數量在不影響器件的前提條件下盡量布滿整個面板的寬度，供電單元選用了6個40×20L的風機，每個風機風量參數為0.27 m3/min。

使用icepak15.0軟件仿真分析。參數設置如下：環境溫度：55℃，熱耗散功率：PFC總熱耗散功率90 W，36 V主電源模塊總熱耗散功率120 W，24 V模塊總熱耗散功率30 W，供電單元總熱耗散功率240 W。仿真結果見圖9 溫度云圖和圖10風速云圖。仿真結果表明整機在55℃高溫條件下工作，最高溫度為80.83℃，遠低于模塊鋁基板最高溫度，滿足設計要求。

圖9 溫度云圖

6 實驗結果與分析

根據上述設計思想制作出的供電單元。接入單相220 V或三相四線380 V電源后，啟動開機開關，開機指示紅燈點亮，供電單元進入待機狀態，當微機控制電路接收到開機命令，開機指示燈紅燈閃爍幾秒后綠燈點亮，直流各輸出電壓36 V、24 VA、24 VB、24 VC均輸出正常，按表1直流輸出加載相應電流后能穩定的工作，各模塊的狀態指示燈均指示正常，功率因數達到了0.99。使用調壓命令可以把36 V輸出電壓調整到八檔電壓中任意設定的電壓值。當電流、溫度、輸入過欠壓超過了設定值后，各模塊輸入輸出關閉，相應狀態指示燈熄滅[10]，溫度、電壓、電流等監測信息實時上傳給上位機。供電單元36 V主電源設定為40 V電壓輸出，其余輸出指標按表1直流輸出參數連續負荷4 h，溫度從初始的26 ℃攀升到52 ℃，保持52 ℃溫度平衡，溫升26 ℃，主電源效率高達90.13%。在55 ℃高溫環境條件下，整機連續工作4 h，供電單元整機溫度最大不超過80 ℃。

供電單元可滿足單相220 V和三相四線380 V輸入，輸出電壓電流參數、狀態指示和串口通信功能滿足設計要求，達到了設計目的。

7 結束語

本文對多種供電輸入的供電單元的工作原理和各部分電路進行了詳細的介紹,結合硬件電路和軟件設計重點介紹該設備如何實現：電源輸入可實現單相220 VAC或三相四線制的380 V多種輸入方式。通過濾波電路，PFC電路，DC/DC電路來轉換和實現各路直流電壓的輸出；通過微機控制電路、主電源調壓電路、溫度檢測電路、電壓電流檢測電路來對整機進行監測和控制；通過串口與上位機微機單元通信，執行上位機下達的命令，上傳溫度、電壓、電流等信息。