一種帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品需求量的增加，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的提高，以及大量農(nóng)業(yè)機(jī)械、電氣照明和溫控設(shè)備的增加，農(nóng)業(yè)電耗逐年增加，生產(chǎn)成本不斷提高。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源已作為一種較理想的電源為人們所使用，其運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，能夠在滿足各種農(nóng)業(yè)用電的前提下，降低電耗，其高效節(jié)能可帶來(lái)巨大的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。然而當(dāng)前的農(nóng)業(yè)用開關(guān)穩(wěn)壓電源，雖然體積小，效率高，但輸出電壓的紋波較大 ,難以保證輸出電壓高穩(wěn)定性，常常影響農(nóng)用機(jī)械和電氣設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)，反而增加了耗能。為此，本文提出一種新的帶過載保護(hù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案，能為農(nóng)用大型機(jī)械和農(nóng)業(yè)照明設(shè)備電路提供穩(wěn)定的電源，具有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 　方案論證

1. 1 　DC2DC主回路拓?fù)潆娐贩桨刚撟C

目前，DC2DC 主回路設(shè)計(jì)方案可考慮的方案有3 種。

(1) 單端正激式電路。該電路的電路原理圖如圖1 所示。

該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但變壓器鐵心易磁化，MOS 管導(dǎo)通時(shí)向負(fù)載供電，變壓器并沒有實(shí)現(xiàn)充分利用，效率不高，而且輸出電壓紋波大。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，目前為大部分農(nóng)業(yè)機(jī)械和電器設(shè)備采用，但難以保證穩(wěn)定持續(xù)的工作，應(yīng)用效果并不理想。

(2) 全橋整流式電路。圖2 所示為全橋整流式電路。該方案采用了4 個(gè)MOS 管，工作時(shí)對(duì)管同時(shí)導(dǎo)通，半周期內(nèi)Q1、Q3 導(dǎo)通，Q2、Q4 截止，然后Q2、Q4 導(dǎo)通，Q1、Q3 截止。這樣的工作方式使每半周期都有2 個(gè)MOS 管來(lái)分壓，對(duì)MOS管的耐壓要求就降低了，適用于高壓場(chǎng)合，但由于使用了4個(gè)MOS 管，使得損耗功率增加，開關(guān)損耗同時(shí)增加?？紤]到農(nóng)業(yè)機(jī)械一般功率較大，采用該方案必然降低電能利用率，導(dǎo)致大量的能耗損失。

( 3) 雙管推挽放大電路。圖3所示為雙管推挽放大電路。該方案采用了2 個(gè)MOS 管輪流導(dǎo)通，比采用4 個(gè)MOS管損耗低，而且輸出電壓比單端方式的要穩(wěn)，為達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的效率，本文選用了該方案。

1. 2 　控制方法及方案論證

1. 2. 1 　鍵控、穩(wěn)壓及顯示控制

常用的方案有2 種。

(1) 數(shù)字芯片方案。采用數(shù)字電路搭建控制平臺(tái)，用tlc4066 與74ls07 通過按鍵用74ls07 計(jì)數(shù)，并通過4066 來(lái)選通分壓電阻的電壓，輸入給PWM芯片，從而控制輸出電壓。用A/ D 采樣給數(shù)碼管顯示，但A/ D 控制不易實(shí)現(xiàn)而且顯示部分電路難以實(shí)現(xiàn)。

(2) 嵌入式方案。采用51 單片機(jī)小系統(tǒng)板對(duì)PWM芯片進(jìn)行控制，并對(duì)A/ D 和D/ A 進(jìn)行控制和采樣。采用以7279 為核心的按鍵掃描顯示模塊進(jìn)行鍵控和顯示。該方案編程比較容易，控制很方便，顯示也很容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)綜合比較考慮，筆者選擇采用嵌入式解決方案。

1. 2. 2 　PWM芯片的選取

TL494 是很常用的PWM芯片，但是外圍電路復(fù)雜，缺少圖騰柱式輸出，且驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)。而SG3525 芯片的驅(qū)動(dòng)能力要比TL494 強(qiáng)，性能穩(wěn)定，并且以圖騰柱式輸出，驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，外圍電路比TL494 簡(jiǎn)潔。

因此，PWM芯片的設(shè)計(jì)中選用SG3525。

1. 2. 3 　過流保護(hù)自動(dòng)控制

(1) 純硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)控制。在負(fù)載端采樣電壓，通過一個(gè)比較器輸出一個(gè)電平控制可控硅的導(dǎo)通，由可控硅的狀態(tài)來(lái)控制SG3525 的shutdown 端，從而控制輸出狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載正常時(shí)可控硅關(guān)斷，shutdown 端為低電平，芯片正常工作;當(dāng)負(fù)載過流時(shí)，通過取樣電阻給比較器輸出一個(gè)高電平，高電平通過一個(gè)電容送到一個(gè)與可控硅并聯(lián)的三極管基極，使三極管導(dǎo)通，從而關(guān)斷可控硅。該方案邏輯關(guān)系很強(qiáng)，參數(shù)選擇嚴(yán)格，不容易實(shí)現(xiàn)，不適用于該系統(tǒng)。

(2) 軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)控制。在負(fù)載端采樣電壓，通過單片機(jī)來(lái)查詢負(fù)載電平的高低控制SG3525 芯片的shutdown 端口來(lái)控制輸出，從而達(dá)到保護(hù)的目的。該方法簡(jiǎn)單，且為后續(xù)智能化過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。通過對(duì)該電源電路進(jìn)行方案論證，該系統(tǒng)的原理圖如圖4 所示。

1. 3 　提高效率方法及解決方案

由于損耗主要來(lái)源于器件本身以及一些開關(guān)元件的寄生電阻和進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)的開關(guān)損耗，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)要盡量減少損耗元件的個(gè)數(shù)，選用耗能小的元件，采用比較理想的開關(guān)元件;并且變壓器的選取和繞制也對(duì)效率有影響。

1. 3. 1 　功放電路解決方案

為了降低損耗只能選用2 個(gè)晶體管，并且要求它本身的導(dǎo)通壓降很低，降低了損耗，并且開關(guān)速度很快，讓開關(guān)在瞬間完成，才能夠最大限度地降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。