关键词：开关电源；反激式；Flyback；LNK364
中图分类号：TM464文献标识码：A
1前言
开关电源的设计涉及到的知识方方面面，不仅涉及到模拟数字电路，半导体元件特性，电磁学知识，还需要考虑产品散热，安全要求、电兼容性能等。传统的设计需要人工来完成，其步骤繁琐，工作量大，效率低。传统控制电路的器件多，结构繁冗，一个环节出现问题，电源就无法正常工作，产品可靠性差。
为了解决上述问题，本文特别选择PowerIntegrations公司的一款反击式开关电源控制芯片LNK364。该器件在一个单片IC上集成了一个700V的功率MOSFET、新颖的开/关控制状态机、一个自偏置的高压开关电流源、频率抖动、逐周期的电流限制及迟滞热关断电路，仅需要搭配少量阻容原件，即可和脉冲变压器配合实现基本开关电源的所有功能。并且其内部具有一个5.8V的自稳压电路，能够为芯片提供电源，并且提供一个1mA的输出，给反馈电路供电，从而省去了脉冲变压器的一个电源次级绕组，使得电源的设计电路更加简化。
2整体结构设计
作为一款微功率的电源设计，首选的拓扑结构为反激式，其拓扑结构简单，设计适应范围广，是一般小功率电源的首选拓扑，选用LNK364作为控制芯片。电路设计如图1所示。
整个电路分为缓冲保护部分，EMC部分，整流滤波部分，PWM变送部分，整流输出部分和稳压反馈部分来进行设计。交流电源经过缓冲保护，EMC电路和整流滤波后转化成高电平直流信号，高电平直流信号经过PWM调制和脉冲变压器，转化成低电压交流脉冲信号，低电压交流脉冲信号经过整流输出部分转化成所需要的直流信号，直流信号上再接稳压反馈通过光耦将隔离后的开通/关断信号传输给开关电源控制芯片，从而完成输出端不同负载下的稳压功能。
3硬件设计
3.1缓冲保护电路设计
缓冲保护电路共包括两个原件RQ1和MOV1。其中RQ1为辅温度系数电度，其主要用于缓冲开关电源上电瞬间电容充电电流，对电容起到一个保护作用。MOV1位压敏电阻，用于防止雷击等情况发生时的差模干扰，当有差模高电压进来的时候，其与RQ1共同形成一个电阻稳压电路将差模高电压信号滤除。RQ1选型为MT72-10D7，MOV1选型为14D471K。
3.2EMC电路设计
EMC电路共有两个元件L1、C1，它们的主要作用为提高电源的电磁兼容性能。其中L1为环形共模电感，C1位X1型安规电容，L1和C1组合成为一个低通滤波电路，从而衰减外部差/共模高频干扰对电源性能的影响。L1选择5.6mH/1A的环形共模电感，C1选择0.1uF/275V的X1行安规电容。
3.3整流滤波电路设计
整流滤波电路主要是将交流电源转换成直流，其由DB1、L2-3、C2-3组成。其中DB1为整流桥，根据开关电源控制芯片特性，控制芯片过流保护阈值为250mA，所以此处设计容量为1A就能满足要求，因此整流桥额定电流等于1A，反向击穿电压大于400V（275V*1.414）即可，此处选型GBP08（2A、800V）。L2-3选型为1mH/1A工型电感，C2-3选型为6.8uF/450V电解电容。
3.4PWM变送电路设计
PWM变送电路由主控芯片，脉冲变压器和续流电路三部分组成。其中主控芯片（LNK364）内部包含一个700V的MOSFET及其控制器。内部连接到漏极的高压电流源在启动阶段提供偏置电流，从而省去了外部启动电路。其内部集成的振荡器能够给输出MOSFET提供132kHz的输出脉冲。
此外，IC还集成了一些功能用于系统级的保护。自动重启动功能可以在过载、输出短路或开环条件下限制MOSFET、变压器及输出二极管中的功率耗散。自动恢复迟滞热关断功能还可以在温度超过安全限值时禁止MOSFET开关。芯片通过控制内部的开关管不断的开通关断，将上级输出的高压直流信号转化成132kHz的脉冲信号。当开关管开通的时候，脉冲变压器的初级内流动的电流增加，达到峰值Ip。当开关管关断的时候，反激电压使输出二极管进入导通状态，同时初级线圈存储的能量为1/2LI^2传递到次级，提供负载电流，同时给输出电容充电。通过电压反馈电路可以调节初级脉冲的占空比来调节Ip的大小，从而起到稳压输出的作用。
这其中关键在于脉冲变压器的选型，根据功率要求我们选择EE16磁芯，材料为PC47，初级绕组为87匝，5V次级6匝，12V绕组14匝。D1为续流二极管，在这里选择超快速二极管MUR160。R2为10K/1W，C4为102/1kV高频瓷片电容。D1、R2和C4共同组成了一个续流缓冲电路，防止开关管关断的时候变压器初级产生瞬间反向高压烧坏开关管。
3.5整流输出电路设计
整流输出电路设计主要包括单向整流电路和滤波输出电路，单向整流主要是利用二极管的单向导通能力，当一次关断期间，次级整流二极管导通，将铁心中存储的磁能释放，再经过滤波输出电路输出稳定直流电压。二极管选用SF24超快速整流二极管。滤波输出电路由L4-5、C6-9组成，L4、L5为6.8uH磁棒电感。C6-7选用470uF/16V电解电容，C8-9选用220uF/35V电解电容。
3.6稳压反馈电路设计
稳压反馈电路包括一个TL431，一个反馈光耦和一些阻容组成。是一个典型的稳压开关反馈电路，当输出电压达到5V的时候，U2导通，U1内的MOSFET关断，直到下一个开关周期的到来。U2选用PC817，R7=R9=10K，R6=150R，R8=1K，C=102。
结语
设计中采用了LNK364单片开关电源控制芯片，其内部集成的全部开关电源控制及保护功能，使得开关电源的集成度进一步提高，性价比增强，电路简化，可靠性增强，使得小成本、高要求、高可靠性电源更好地选择。
参考文献
[1]PowerIntegrations.LNK362-364Datasheet[Z].
[2]安森美半导体.TL431datasheet[Z].
【关键词】煤矿直流设备试验控制技术
随着电力行业的迅速发展和新能源发电的技术限制，使得电力行业对于煤炭的依赖程度不断提高。煤矿井下工作环境中含有大量瓦斯、煤尘等可燃性气体和混合物，电气设备短路、过载等故障可能直接导致井下安全生产事故，所以对井下电气设备的可靠性和安全性要求较高。矿用架线机车、蓄电池机车作为井下运输工具，车辆的稳定运行对于井下安全生产和避免安全隐患具有也十分重要的意义。
一、整流技术
变流电路用于实现电能（交流（AC）和直流（DC））之间的变换，属于电能转换过程常用的电路。根据电能输入输出形式不同，变流电路可以分为AC-DC转换、AC-AC转换、DC-DC转换和DC-AC转换。本文涉及的变流电路为AC-DC，即整流电路，其目的是将交流电转变成直流电，为煤矿直流设备控制装置试验提供电源。传统的整流装置大部分采用二极管不可控整流技术或晶闸管相控整流技术，这类技术控制过程简单、效率较高，但功率因数较低，且输入电流的谐波含量比较高，对电网具有不良的影响。本文选用四个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）两两串联Q1、Q2及Q3、Q4串联后并联组成桥式整流单元（如图1所示），并设计RCD缓冲电路避免瞬态操作电压对IGBT管的冲击，降低IGBT的开关损耗，保护整流单元安全、可靠运行，在IGBT关断过程中，电容C通过二极管充电，吸收关断过程产生的du/dt，在IGBT开通后，电容C两端的电压通过电阻R放电。
图1桥式整流电路原理图
二、控制单元设计
煤矿直流设备控制装置试验电源控制单元用于实现电源的控制和保护，主要由操作面板、处理器、IGBT驱动单元、显示单元、电压和电流检测单元等组成，其中操作面板用于控制指令的输入；处理器是整个控制系统的核心，用于实现数据的计算、处理、实验过程控制和输出电压调节；IGBT驱动单元用于驱动IGBT可靠导通和关断；显示单元用于显示电源的电压、电流、状态等信息；电压和电流检测单元用于检测电源的电压、电流信号，并将信号进行隔离放大处理后发送给处理器。
2.1电压反馈电路
煤矿直流设备控制装置试验用电源需要稳定、准确的电压输出，并且要根据不同型号产品的需求调节电压幅值，所以需要设计可靠的电压反馈电路，处理器计算反馈值与需求值之间的偏差，然后对输出电压进行动态调节，保证试验电压的准确性。由于电源输出电压最高可达600V，所以不能从端口直接获得电压信号，设计由大功率电阻分压后得到处理器AD可以接收的电压信号。为了保证电路的稳定性，在电路中加入一个高输入阻抗的电压跟随器来获取电压信号。电压反馈电路如图2所示，图中C5作用是滤除信号中的杂质，
图2电压反馈电路
稳点电路输入电压，减小信号漂移，通常选取高频无感电容。电阻R5、R6起到分压作用，电压反馈电路测量电压等于电阻R6两端电压，其电压值为总电压的R6/R5+R6。稳压二极管D5和电容C6起到保护作用，防止运放输入电平高于其供电电压。
2.2电流检测电路
煤矿直流设备控制装置过载试验是在额定电流的1.6倍、3倍和5倍条件下进行，试验过程对电流值具有明确要求，所以试验电源应该具有稳定、可靠的电流检测电路。为了降低主电路对电流信号的干扰，提高电流检测的精度，选用基于霍尔效应电流传感器采集母线电流。CS600E2型电流传感器原边额定输入电流600A，原边测量电流范围0～±1000A，响应时间小于等于5μs，工作电源为±15V，传感器输出电压范围0-4V。传感器输出信号经过隔离和LM324组成的电压跟随其处理后发送给处理器的AD转换引脚，电路检测电路原理图如图3所示。
图3电流检测电路
2.3温度保护电路
直流电源内的整流开关管和变压器在工作过程中产生的热量会导致工作环境温度升高，影响控制系统的稳定性，此次除了采取常规散热措施外，还需要设计温度保护电路对电源的温度进行控制和动态调节。温度控制电路工作过程：电源上电后温度保护电路开始工作，当温度值高于设定值时，热敏电阻阻值变大，这时在运放M的同相输入端电压高于0V，信号经过放大后输出到N，使得运放的同相输入端电压高于反相端，运放输出+5V的电压驱动场效应管导通，热电制冷器开始工作降低系统温度，当温度达到正常温度时场效应管截止，热电制冷器停止工作。
同时，系统设置有温度采集电路，处理器对高精度温度传感器的信号进行计算处理，并发送给显示屏进行系统温度实时显示。
三、结论
矿用直流架线电机、矿用蓄电池车辆是我国中小煤矿井下主要的运输设备之一，其安全性直接关系到煤矿安全生产工作能否顺利开展，本文设计的煤矿直流设备控制装置试验电源满足国家标准要求，符合矿用直流设备控制装置检验需求，具有输出稳定、安全可靠等特点。
参考文献
[1]贾德利.IGBT逆变电源的设汁与应用[M]，哈尔滨工业大学出版社，2012.
LiBingxiang1，FanChao2，ZhangWeina1，ZhangWei1
(1Xi’anShiyouUniversity,ShaanxiXi’an710065;2ShaanxiYouthVocationalCollege,ShaanxiXi’an710068)
Abstract:Intheprocessofoilproduction,sandproductionnotonlyleadtotheequipmentdamageandreducethe
production,butalsocanaffectthelifeoftheoilwell,sotakereasonablesandmeasurementsandcontrolisveryimportant.
Butthesignalsdetectedbythepiezoelectricultrasonicsensorcontainstrongfluidnoiseandelectromagneticinterference,
inordertogettheusefulsignals,theinterferencesmustberemoved.Thispaperuseswavelettransform,andsimulateinthe
MATLAB,andcomparesthede-noisingeffectswiththeFouriertransform,theresultsshowthatthewavelettransform
caneffectivelyremovenoises,anditalsopreservestheusefulinformationofthesignals.Throughthedatafromlaboratory
testandfieldtestshowthatthewavelettransformhaveverygoodde-noisingeffect.
Keywords:piezoelectricultrasonicsensor;wavelettransform;de-noising
基金项目：陕西省教育厅项目“油气井出砂实时监测方法研究”资助(2010JK786)
1
2013.24设计与研发
0引言
控制器用电源和功率器件驱动电源是有源电力滤波器的主
要部分，其中控制器用电源主要用于控制器、传感器和包括触摸
屏在内的人机界面供电；功率用器件驱动电源顾名思义用于功
率器的驱动供电。传统的有源电力滤波器以对负载电流和电源电
压进行采样检测补偿的谐波分量，并获取电流基准为其主要的控
制策略。但实际工作环境中有源电力滤波器系统对于供电的稳定
性和可靠性要求非常苛刻，其中APF挂网运行必须满足电力系
统，如控制电路和驱动电路要先上电等，的要求。而传统的控制策
略因其计算量大、控制器复杂以及实时性差等原因已经不能满足
有源电力滤波器的实际工作需求。如何有效的保障在电力系统故
障出现时，电源系统能够有效的将APF从电力系统故障中切除，
并具有自动启动有源电力滤波器的功能，成为本文探讨的一种重
要方向。因此，有源电力滤波器的控制电源设计必须做到科学性
和有效性。
1电源设计
整个有源电力滤波器的电源方案包括驱动电源、控制电源以
及驱动和控制电源的一次供电电路三部分。其中驱动板是驱动电
源和驱动电路设计在一起的结合物，也是整个电源系统组成中的
重要部分之一。控制电源有普通的开关电源组成，用于对控制器、
传感器和包括触摸屏在内的人机界面供电控制和服务。一般而
言，交流电网和有源电力滤波器功率直流母线双电源供电方式是
初级电源所采取的方案。由于开关调制频率疋远大于电网频率和
负载电流频率．因此可以假设在一个开关周期内负载电流不变，
所以电源电流上升和下降的斜率近似等于APF交流侧电感电流
的上升与下降斜率，顾此方案能够满足有源电力滤波器对控制电
源稳定性的要求。
1.1驱动电源设计
在驱动电源整体组成中，M57962L是功率器件IGBT驱动电
路的重要核心芯片。为满足供电特点的需求以及IGBT驱动电路
的特殊性，驱动电源需要为3桥臂的IGBT提供6路独立的26—
30V直流电。在系统运行过程中，稳压管分压起到在各路电源产
生IGBT开通和关断需要的正、负电压，以确保驱动电源的有效运
行。
驱动电源采用单端反激式DC∕DC变换电路。在整个电路中，
电压输入和电压输出在电路、功能等方面相互切合，形成互相配
合的整体。部分电压输出线路用于稳压管的分压，并相应产生正、
负电压。个别电路输出用于稳压控制作用。为有效实现对输出电
压以及初级电流的控制，一般采用脉宽调职芯片UC3844用于控
制系统的芯片。输出电压通过电路反馈脉宽调制芯片的误差放大
器以此实现稳压控制的目的。初级电流通过电阻采样，采样值输
入到脉宽调制芯片UC3844的相应位置，实现电路峰值电流控制。
此外，在驱动电源设计过程中，还采用由电阻、电容和三极管组成
缓冲电路，能够有效的实现当开关状态转换过程中产生的尖峰电
压进行筘位和吸收。
1.2控制电源设计
在有源电力滤波器工作过程中，控制器需要的±15V，±5
V电源、传感器需要的±15V电源及触摸屏和接触器需要的24V
电源全部是由控制电源提供。在控制电源使用过程中，必须保障
控制电路先上电，以此完成对相关参数的设置和对开关器件的封
锁，以满足有源电力滤波器对在电力系统出现故障时及时从电力
系统中切除隔开，以及在排除电力故障后能够自动启动复用的要
求。开关电源产生控制器和触摸屏等各个部件所需要的各种电源
都能够从220V的交流电通过普通开关电源分流，由此在采用普
通开关电源给控制电路供电时能够满足有源电力滤波器对电力
系统稳定性的苛刻要求，同时节约了成本。
普通电源开关具有操作简便、制作和使用成本低，安全性和
可靠性高等特点，而被用于控制电路供电，但当仅采用电网作为
初级供电时，在遇到电网掉电或者电网电压瞬时值过低的情况西
安，电路还需进一步改进，以满足特殊问题出现时的应急措施需
求。
1.3基于双电源的初级供电设计
上文提到当仅有电网供电时，出现电网掉电或者电网电压
瞬时值过低的情况时，电路可能出现突发的问题。当电网突然掉
电时，开关电源失去对电能的有效控制盒输入，输出电压瞬间降
为零，最直接的后果是控制器因断电而无法继续对驱动电路进行
控制。更糟糕的事情是此时的APF直流母线电压仍旧处于高压状
态，上下桥壁会在驱动信号干扰功率器件后而出现同时导通，由
此造成功率器的损坏。
而基于双电源的初级供电设计是指基于交流电网和APF功
率直流母线双电源供电方案的一种方法，实践证明该双电源设
计方法能够有效的克服上述突发情况。其基本的设计思路为交
流电网和APF功率直流母线分工合作负责不同情况下的电路供
电，电网主要负责在APF正常工作时控制电路供电，而出现供
电异常后。截止功率器件的驱动信号。并将APF直流母线的电
能通过DC∕DC电路回馈给控制电路和驱动电路。需要注意的
是DC∕DC转换电路因其输出为直流电而不能与220V交流电
直接并联，为此，通过设计二极管进行220V交流电整流，然后与
DC∕DC转换电路因其输出为直流并联。
通常情况下，经过二极管整流并联后的输出电流在电容器上
能够得到310V的直流电。在电路设计过程中，只要保障DC∕DC
转换电路输出电压的正极能够通过二极管与电容的正极相对应，
二者的负极直接相连，在DC∕DC转换电路输出电压小于电容的
电压时，就可保障APF正常工作时，DC∕DC转换电路而停止工
作。此外，由于电容器的存在，保证了在电网出现突然供电异常
时，开关电源和驱动电源输入电压不会马上低于DC∕DC转换电
路输出电压而造成，DC∕DC转换电路无法正常的发挥功能。在
DC∕DC转换电路会在电容电压低于DC∕DC转换电路输出电
压的情况下开始工作，控制电路和驱动电路会接受来自直流母线
的电能，当电压恢复至安全值后，DC∕DC转换电路停止工作。
单端反激式变换电路是对DC∕DC转换电路在有源电力滤
波器工作时的一种补充。DC∕DC转换电路的功能具有局限性，
只能够在电网出现供电异常的情况下，为控制电路和驱动电路
供电供电，导致其在实际工作中输出容量不足，效率低下的问题
出现。与驱动电源相比，单端反激式变换电路的输入电压范围更
广，对于工业电压等级的APF，直流母线电压在正常工作时约为
750V。而电网断电后，直流母线电能回馈到控制、驱动电路，电压
逐渐降至安全值，但DC∕DC转换器是否能在此过程中输出较稳
定的约200V直流电压成为未知数。对此需保证DC／DC变换器
在断续电流模式(和连续电流模式(CCM)两种模式下都能安全
工作。
对于工业电压等级的APF而言，对于DC／DC转换电路的开
关器件的选择非常的苛刻，而在单端反激式电路中则能够轻易满
足其要求。才外为满足DCM和CCM两种工作模式的需要，在单端
反激式电路设计中变压器采用EC3521型磁芯、变比120:55:4，
在整体电路中，个别输出电路用于电压反馈控制，此外，利用
UC3844脉宽调制芯片的控制芯片实现对稳压控制和峰值电流控
制的稳定输出。在设计中保障直流母线电压低于控制电压（约为
180V），以此保证在驱动信号不确定或者缺失时而不至于损坏开
关器件。
2实验分析
选用磁芯EI33，频率40kHz．变比97:12:12:12:12:12:12:7，
初级电感量4.2mH∕1kHz；APF功率单元为750V，输出电流60A
的七路输出的多路变压器用于测试该设计的有效运行性能。实验
过程中，在正常工作中APF的功率单元为750V，在正常运行过程
中将电网电压突然跌至为0，其中DC∕DC转换电路的输出设定
值为180V，DC∕DC转换电压在电网突然停电的情况下，开始工
作，直流侧电能回馈到控制电路和驱动电路，经过一段时间后，直
流侧电压降至安全值，DC∕DC转换电路停止工作。经现场进行
调试验证，采用交流电网和APF功率直流母线双电源供电方式，
未出现因电网电压故障而导致器件损坏情况的发生，此外在电网
故障排除以后，有源电力滤波器(APF)能够有效的运行。实验结
果表明：该电源方案，即该电源初级输入采用交流电网和APF功
率直流母线双电源供电方式，其中驱动电源和直流母线反馈电源
均采用单端反激式DC／DC变换电路。具有实现简单、工作可靠、
成本低的特点。
4结论
有源电力滤波器(ActivePowerFilter，简称APF)的控制
电源包括控制器用电源和功率器件驱动电源两部分，对控制电源
的要求非常的高，不仅需要其能够提供稳定安全的电压以供系
统正常的运行，此外对于零器件的选择和使用上也要求求经济性
和安全性，依据APF供电电源的要求，为IGBT驱动电源设计了一
种基于单端反激拓扑的多路输出DC∕DC电源，为控制器选用了
通用开关电源。该系统电源初级输入采用交流电网和APF功率直
流母线双电源供电方式，其中驱动电源和直流母线反馈电源均采
用单端反激式DC／DC变换电路。由本文的研究结论我们不难发
现，采用用交流电网和APF功率直流母线双电源供电方式的电源
初级输入，别且驱动电源和直流母线反馈电源均采用单端反激式
DC／DC变换电路的有源电力滤波器对控制电源具有非常明显
的优势，适合在电网，尤其是工业用电网中的推广应用，具有非常
巨大的推广意义。
参考文献
[1]刘进军，刘波，王兆安.基于瞬时无功功率理论的串联混合型
单相电力有源滤波器[J].中国电机工程学报1997（12）：
37-41.
[2]吕利明，肖建平，钟智勇，等．高频开关电源单端反激变压器的
原理与设计方法叨．磁性材料及器件，2006，37：36-38．
[3]刘建宝，赵录怀，邹晓松．基于双极型模式的新型定频积分有
源滤波器[J]．电力电子技术，2004，38(2)：32—33．
[4]钱挺，吕征宇，胡进，等．基于单周控制的有源滤波器双环控
制策略[J]．中国电机工程学报，2003，23(3)：34—37．
[5]钱挺。吕征字．新型有源滤波器的双向互补控制方案[J]．中