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电压电路绕组一种数控可调开关电源的设计

现今的可调式开关电源通常采用专用芯片,具有开发时间短、可控性强等优点;同时也具有功能受芯片限制等缺点。本文提出的可控式开关电源方案通过软件控制改变数字电位器阻值来改变反激式开关电源反馈电压从而改变输出电压的大小,使电源的输出电压范围调整极其方便。本开关电源输出电压可通过按键、USB总线等控制,并且输出电压可断电记忆,控制方式也很容易扩展(如扩展RS 232总线控制方式等)。输出电压范围15~30V,最大电流可达5A,最小调节值1V。

1 电路结构设计
如图1所示,市电通过滤波后整流得到波动较大的直流电。电压变换电路将高压直流电转换为期望得到的直流电压。使用过程中通过键盘或者USB口对输出电压进行预设,单片机将输出电压运算为反馈电阻值从而输出控制信号控制数字电位器电阻值改变为计算值,进而改变控制电路反馈端电压。控制电路将反馈电压与基准电压进行比较,改变PWM波形的占空比,完成输出电压的调整。

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图中光电隔离实现了电路输入/输出端隔离,使输出端对地较低电位从而保证输出直流电压负极对人体安全。控制电路选用UC3842,价格便宜,可靠性高。单片机选用AT89S51,其键盘电路以及显示电路非常成熟,在此不再赘述,仅在后文中介绍部分控制方式的接口电路。

2 硬件电路设计
2.1 电压变换主电路设计
图2所示为电压变换电路及部分保护电路,其主要由高频变压器T、MOSFET开关管Q1、电流测量电阻R2、肖特基二极管D5、滤波电感L3和滤波电容C3组成。对于变压器T1,N1为输入绕组、N2为输出绕组、N3为给UC3842提供工作电压的自馈绕组(自馈绕组在后文提到的UC3842供电电路图3(a)方案中可省去)。

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Q1的门极经过门极保护电路后受控于UC3842的输出控制引脚(即引脚6)。在电压变换过程中如果输入电压改变,则UC3842输出PWM占空比改变,从而达到稳定输出电压的效果。
滤波电容C3起到稳定输出电压的作用。由于可调电源通常用于实验室,因此对开关电源的瞬态响应要求较高。本设计通过采用多个SP电解电容并联组成大电容的方式降低电容ESR对输出电压的影响,不仅能降低纹波电压并且可以提高瞬态响应。

2.2 控制部分供电电路设计
控制部分供电主要分为UC3842供电以及单片机系统供电。这里仅介绍UC3842的供电。
在以往的经典设计中,UC3842的供电通常分为启动供电和自馈供电两部分。启动供电是电源刚开机时由市电整流、电阻限流后提供给UC3842一大于16V的电压。UC3842一旦开始稳定工作,启动供电电路就基本停止工作转由自馈线圈直接提供15V左右电压的供电。
本设计中,由于输出电压变化较大,导致自馈线圈输出电压变化范围也比较大,不能直接作为UC3842的供电电源。在设计过程中笔者对如图3所示的两种方案进行了测试,发现均能满足设计要求。
其中图(a)先通过变压器将220V交流电变压为一低电压,然后整流、滤波得到25V直流电压。在开机时,25V直流电压经TL431稳压到17V;单片机检测到UC3842正常工作后,通过程序改变数字电位器R8的阻值,使TL431输出电压稳压到15V。
图(b)电路中,UC3842的启动供电很常见,不做详细说明。UC3842正常工作后,自馈线圈N3产生17~34V的电压。由于自馈电压变化很大,限流电阻R5无法选取满足TL431在所有自馈电压范围内工作。在自馈电压较高时TL431将该电压变换为15V后供电给UC3842 自馈电压低至TL431不能实现稳压时,由电阻R5和R6、R7分压后给UC3842供电。
由上文可知,图3(a)电路需要单独的变压电路以及整流电路,电源的体积、重量都较大;(b)电路需要增加一个副边绕组,变压器结构较复杂,同时漏感也相应增大。总的来说(b)电路更适合本设计。但是如果继续增大输出电压的调整范围,或电源输出最大电压和最小电压的比值m很大时,可以看出来自馈绕组的电压变化范围为17V~m×17V。此时很难找到合适的稳压器件为UC3842提供工作电压,此时(b)电路将不再适用。
2.3 高频变压器设计
高频变压器的设计是开关电源设计的核心。假定变压器副边效率为典型的85%,则查表选取西门子N27硅铁氧体E55型磁芯。
电流临界连续原边电感值为:d.JPG
其中,Uinmin为变压器原边最小直流电压,本设计中Uimnin=200×1.3=260V;Ts为开关周期,本设计选择Ts=33μs:Tonmax为开关管一周期内导通的最大时间,本设计中Tonmax=15 μs;Pomin为输出最小功率,本设计中Pomin=3×15=45W;η为变换效率,本设计中假定η=85%。则Lpmin=4.4μH。
高频变压器原边绕组最少匝数为:e1.jpg
其中△Bac为最大ac磁通密度,根据查表以及经验选择△Bac=0.220T;Ae为磁芯最小横截面积,查表知Ae=353mm2。则Np(min)=50.2,在这里取原边绕组Np为51匝。
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其中Uo为输出电压,这里取最大值30V;UD为输出整流二极管正向导通电压,这里取0.7 V;Toffmin+Tonmax=Ts,这里Toffmin=18μs。则N2=7.22匝,通过验证取8匝能达到很好的效果。

2.4 保护电路设计
在开关电源电路中,电压变换主回路通常比较简单。保护电路不仅在整个电路中占很大部分,且在开关电源中的作用也不可忽视。
如图3中,R1,C4,D6组成RCD箝位电路,防止因开关管忽然关断由于漏感而产生高电压;C5,R3,D7组成RCD缓冲电路,吸收开关管Q1导通和关断瞬间的较高浪涌尖峰电压。
2.5 输出电压调节即反馈电路设计
如图4所示,R23为数字电位器。R23电阻值的改变会引起反馈电压的改变,反馈信号经UC3842的2脚送到其内部的误差比较放大器,与内部基准电压比较,产生的误差信号送到脉冲调制电路,从而对脉冲宽度进行调制。在初始状态时,输出电压为最高电压30V;当需要减小输出电压时,单片机重新设置数字电位器为一较大阻值,从而增大反馈电压相对于输出电压的比例,反馈电压增大,则UC3842取样电压升高,脉宽调制电路会使输出脉冲宽度变窄,实现输出电压稳定在较低值。实际应用中也可通过选用带记忆功能的数字电位器实现电压记忆功能。

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3 基于USB的数控通信接口设计
数控通信方式已验证有多种可行方案,由于篇幅有限在本文中仅仅介绍基于USB总线的一种数控方式。
USB(通用串行总线)其安装简单,支持即插即用、热插拔、多设备并联,并可提供较大的带宽。由于以上优点,现在已成为计算机对外设的主要通信端口。在数控开关电源中使用USB总线可有效扩展电源的使用范围。
在本设计中使用了南京沁恒电子有限公司的CH372,该芯片外围元器件简单,使用方便,驱动程序以及DLL动态链接库也已提供。图5为单片机和CH372的接口电路。
图5单片机和CH372接口电路

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CH372接收到USB主机发来的数据后,锁存USB缓冲区,同时设置INT#引脚为低电平。单片机进入中断服务程序,获取中断状态,并读取数据或指令。
单片机通过CH372发送数据时;首先向CH372写入要发送的数据,CH372等待USB主机读取数据后即锁定USB缓冲区并拉低INT#引脚。

4 结束语
本方案已通过大量试验证明其可行性。少量更换电路器件后可实现电压更大范围的调节,具有很好的扩展可能。

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