多路輸出直流電壓的AC/DC電源模塊設(shè)計

摘 要：為了滿足某測試設(shè)備對多種直流電源的需求，提出了一種能夠輸出多種直流電壓的AC/DC 電源模塊設(shè)計方案。該電源模塊包含濾波整流電路、DC/DC 電路、過欠壓保護(hù)電路和光耦隔離電路等，介紹了部分電路的工作原理和實現(xiàn)方法，并對電源模塊的過欠壓保護(hù)功能和控制直流電壓輸出的方法進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。試驗結(jié)果表明，該模塊具有輸出電壓穩(wěn)定、精確度高、可控性好等特點。

　　1 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對設(shè)備的狀態(tài)的檢測要求越來越高，從而要求測試設(shè)備能夠提供高精度的準(zhǔn)確測試。要實現(xiàn)高精度的準(zhǔn)確測試，測試設(shè)備中的電壓信號經(jīng)過電路后要提供準(zhǔn)確的電壓值，這就對電源模塊的準(zhǔn)確度提出了很高的要求。

　　在某測試設(shè)備的研制過程中，為了完成測試任務(wù)，該設(shè)備需要多種直流電壓信號，并且要求能夠?qū)Σ糠蛛妷盒盘柕妮敵鲞M(jìn)行控制。通過分析發(fā)現(xiàn)，該測試設(shè)備提供給電源模塊的空間很小，且三路直流電壓輸出通過外部高低電平進(jìn)行控制，現(xiàn)有的電源模塊無法滿足這一需求；為了解決這一問題，設(shè)計了一種輸出電壓可控的直流電源模塊，用來為測試設(shè)備提供±12 V、+5 V、+9 V和+6 V 直流電壓信號輸出，同時能夠根據(jù)控制信號輸入端電壓的高低實現(xiàn)對±12 V 和+5 V 電壓信號的輸出控制，并具有過欠壓保護(hù)和六路光耦輸出控制等功能。該模塊的實現(xiàn)為需要以上直流電壓信號的測試設(shè)備提供穩(wěn)定可靠、高精度的電源，滿足了電壓可控的需求。

　　2 總體方案設(shè)計

　　該電源模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，可以看出，220 V交流電壓信號輸入后，首先經(jīng)過濾波電路模塊進(jìn)行濾波，然后分兩路實現(xiàn)交直流變換，一路直接經(jīng)過整流橋得到+300 V直流電壓信號，在通過DC/DC變換為±12 V和+5 V直流電壓信號；另一路經(jīng)過10:1的變壓器降壓后再利用整流器進(jìn)行整流，得到23 V直流電壓信號，并分別利用直流電壓集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生+9 V和+12 V電壓，+9 V為基準(zhǔn)電壓源供電，與配套電路一起產(chǎn)生相應(yīng)的直流電壓信號用來作為控制電路中的基準(zhǔn)信號，同時為指示燈提供正電壓?？刂票Ｗo(hù)電路主要分為控制電路和過欠壓保護(hù)電路，控制電路主要是用來實現(xiàn)對可控直流電壓的輸出控制，而過欠壓保護(hù)電路主要是用來實現(xiàn)對過欠壓保護(hù)，起到必要時保護(hù)三個DC/DC的作用。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　3 硬件設(shè)計

　　（1）設(shè)計目標(biāo)。

　　該模塊的設(shè)計目標(biāo)為AC/DC 電源模塊，輸入電壓為220 V/50 Hz 交流輸入，輸出直流電壓為±12 V、+5 V、+9 V 和+6 V.

　?。?）濾波整流電路。

　　為了濾除電路中的干擾，電源輸入端采用兩級濾波器SCHAFFNER 的FN 410-3/02，該濾波器的額定電流為3 A，最大工作電壓為250 V 交流，頻率為50/60 Hz，工作溫度為-25℃~+100℃，平均無故障時間為675000 小時。在該電源模塊中，由于每個穩(wěn)壓模塊、基準(zhǔn)源和直流電壓輸出端等都需要進(jìn)行濾波，因此多選用電解電容，電解電容值的選取從47 μF/25 V 到1000 μF/16 V 不等。

　　整流橋的選擇按照整流電路的不同分為兩種，一種是將220 V 交流整流為300 V 直流電路中，選用了KBPC 108 整流橋，其輸入電壓為50~1000 V、輸入電流為3 A，用來實現(xiàn)高壓整流。

　　另一種是低壓整流，在這個電路中，首先是將220V 交流電經(jīng)過10:1 的變壓器變壓后，采用整流橋進(jìn)行整流，輸出直流電壓為23 V。

（3）DC/DC 電路設(shè)計。

　　為了得到穩(wěn)定可靠的±12 V 和+5 V 直流電壓，在DC/DC 電路中，分別選用高可靠的DC/DC模塊實現(xiàn)低壓直流輸出。在低壓側(cè)，經(jīng)過整流后得到23 V 直流電壓，通過采用不同的集成穩(wěn)壓器實現(xiàn)+9 V 和+12 V 輸出，在每個模塊的輸入輸出端分別加100 μF/25 V 和47 μF/25 V 的電解電容進(jìn)行濾波。在高壓側(cè)，產(chǎn)生三個±12 V 和+5 V 直流電壓，并且要求能夠通過外部接口輸入高低電平控制這三個電壓信號的輸出。故選用VICOR的VI-J61-IZ、VI-J61-IY 和VI-J60-IX 電源模塊實現(xiàn)±12 V 和+5 V 電壓輸出。這三個模塊的電源輸入端接300 V 直流電源，即可獲得高精度的±12 V和+5 V 電壓，要想對DC/DC 的進(jìn)行輸出控制，只需要控制三個電源模塊中的Gate In 端即可，三個DC/DC 電路原理圖如圖2 所示。圖2 中當(dāng)控制端信號為高電平時，VT1、VT2 和VT3 工作，此時DC/DC 的2 端接地，DC/DC 均不工作，±12V 和+5V 電壓不輸出；當(dāng)控制端信號為低電平時，VT1、VT2 和VT3 均不工作，此時DC/DC 均正常工作，±12 V 和+5 V 電壓輸出。

　　圖2 三個DC/DC 電路原理圖。

　?。?）直流電壓控制電路。

　　直流電壓控制電路的原理圖如圖3 所示。該電路主要由過欠壓保護(hù)電路和外部電壓控制電路兩部分組成。過欠壓保護(hù)電路主要是指當(dāng)輸入電壓過高（或過低）時產(chǎn)生超過（低于）300 V 一定比例的電壓后，經(jīng)過調(diào)理電路使電壓比較器MAX973 電壓發(fā)生跳變，從而改變控制信號的輸出，致使DC/DC 的Gate In 端電壓跳變，進(jìn)而使DC/DC 停止工作。外部電壓控制電路是指當(dāng)外部控制信號輸入端電平發(fā)生改變時，控制信號的輸出端的電壓發(fā)生跳變，從而改變DC/DC 的Gate In端的電壓，使DC/DC 停止（或開始）工作。

　　當(dāng)外部控制信號輸入為低電平時，與非門電路中觸發(fā)器輸出為高電平，此時計數(shù)器清零，經(jīng)過計數(shù)觸發(fā)電路和反相器反相后控制信號輸出為高電平，從而進(jìn)一步驗證三個DC-DC不工作，相應(yīng)的DC/DC工作指示燈不亮。當(dāng)外部控制信號輸入為高電平時，與非門電路中觸發(fā)器輸出為低電平，此時計數(shù)器開始計數(shù)，經(jīng)過計數(shù)觸發(fā)電路和反相器反相后控制信號輸出為低電平，從而進(jìn)一步驗證三個DC-DC正常工作，±12 V和+5 V電壓輸出，相應(yīng)的DC/DC工作指示燈亮。

　　圖3 直流電壓控制電路原理圖。

4 實驗結(jié)果

　　該多路輸出直流穩(wěn)壓電源模塊已經(jīng)應(yīng)用于實際設(shè)備中，將該電源模塊加220 V/50 Hz 交流電后，得到±12 V、+5 V、+6 V 和+9 V 輸出電壓。

　　±12 V 和+5 V 電壓輸出端的實測波形如圖4 所示。將該電源模塊放在-55℃~105℃下進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)在相同電源的情況下，測得直流輸出電壓不變。

　　（a）+5 V 直流電壓輸出波形圖。

　　（b）+12 V 直流電壓輸出波形圖。

　?。╞）-12 V 直流電壓輸出波形圖。

　　圖4 直流電壓輸出實測波形。

　　5 結(jié)束語

　　通過實際應(yīng)用表明，該電源模塊達(dá)到了設(shè)計要求，不但具有多路輸出直流電壓的功能，而且具有輸出電壓穩(wěn)定可靠、精度高等特點。