[关键词]开关电源；PWM；UC3875；驱动电路
中图分类号：TM743文献标识码：A文章编号：1009-914X（2015）26-0257-01
0引言
开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零[1]。所以其功耗小，效率可高达70%-95%。而功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。
1开关电源的类型
按驱动方式分类有：（1）自激式开关电源其借助于变换器自身的正反馈控制信号，实现开关自持周期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用[2]。（2）他激式开关电源其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控制信号驱动开关管[3]。
按能量转换过程的类型分类有：（1）直流～直流（DC～DC）。（2）逆变器（DC～AC）。（3）开关整流器（AC～DC）。（4）交流～交流变频器（AC～AC）。
2开关电源设计
在几种常用的变换电路中，因为半桥、全桥变换电路功率开关管承受的电压比推挽变换电路低一倍，由于市电电压较高，所以不选推挽变换电路。半桥变换电路与全桥变换电路在输出同样功率时，半桥变换电路的功率开关管承受二倍的工作电流，不易选管，输出功率较全桥小，所以采用全桥变换电路。
在设计制作的1.2kW（48V/25A）的软开关直流电源中，其主电路为全桥变换器结构，四只开关管均为MOSFET（1000V/24A），采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS，电路结构简图如图1。VT1～VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，以实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5～VD8构成的高频整流电路以及L1、C3、C4等滤波器件组成。
图11.2KW软开关直流电源电路结构简图
其基本工作原理如下：当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。
由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。
当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。
关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。
VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2，由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3、Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。
3UC387构成的驱动电路设计
UC3875是美国Unitrode公司针对移相控制方案推出的PWM控制芯片，实用于全桥变换器中驱动四个开关管，四个输出均为图腾柱式结构，可以直接驱动MOSFET或经过驱动电路放大，驱动大功率MOSFET或IGBT。由于该期间设计巧妙，是一种应用前景较好的控制芯片。
本电源的主功率管选用的MOSFET，是电压型驱动方式，驱动功率要求比较小。采用脉冲变压器将功率管的驱动端和控制电路隔离。UC3875的驱动端具有2A的电流峰值，但为了提高电路的可靠性，防止UC3875因为功率太大而损坏，所以采用达林顿驱动的晶体管组成输出电路来驱动脉冲变压器的原边。超前桥臂的驱动电路如图2所示，之后桥臂的驱动电路也一样。
图中，D1、D2和D3、D4是肖特基二极管，用于防止驱动管的电压由于低于或高于电源电压而损坏。R21和R22是限流电阻，DW1、DW2和DW3、DW4是齐纳稳压管，用来限制脉冲变压器的输出电压，防止功率管损坏。T1和T3选中TIP122，T2、T4选用TIP127，T1？T4是达林顿驱动的晶体管，耐压为100V，持续电流为5A，峰值电流可达8A，其开启时间和关断时间分别为1.5μs和2.5μs，而开关电源的设计的频率为70KHZ，即14μs>1.5μs+2.5μs，满足设计要求。
图2功率管驱动电路
除了输出电流限制外，本电源还设置有五个保护功能：输入过电压保护、输入过流保护、输出过压保护、输出过流保护、过热保护。五种保护都是通过一个或门UC3875的电流检测端C/S+（5脚），使其电压高于2.5V，导致UC3875关断输出。输入、输出电流分别取自串联在输入、输出回路中的分流器上的信号（0-75mV）。
4结束语
本文介绍了由UC3875芯片作为控制电路的1.2KW移相控制全桥变换软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。大大减小了电源的体积。
参考文献
[1]曲学基.稳定电源基本原理与工艺设计[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2]李定宜.开关稳定电源设计与应用[M].中国电力出版社.2006.
[3]杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].中国电力出版社.2007.
一、汽车电源系统原理
汽车电源系统由两部分组成，即铅蓄电池和交流发电机，铅蓄电池和交流发电机并联在一起工作。在发动机没有启动或已经启动没有达到稳定带速之前，主要由蓄电池提供能量。当发动机达到稳定带速以后，主要由汽车发电机提供能量，同时交流发电机为铅蓄电池充电。正常工作中铅蓄电池与发电机并联，由于铅蓄电池的电压钳位作用，电源输出电压基本保持在额定电压基础上。如果汽车处在长时间低耗能的状态下运行，铅蓄电池可能出现满电情况，如果发电机继续为铅蓄电池充电，铅蓄电池的端电压会随充电电压升高，产生交流发电机撇载现象。在撇载状态下，铅蓄电池失去电压钳位作用，输出电压等于交流发电机整流输出电压，大约15伏左右。
二、汽车电源保护电路作用
铅蓄电池额定电压大约为12伏（柴油车为24伏），交流发电机输出额定电压大约为14.5伏。汽车电器设备额定电压是12伏，如果出现撇载现象，交流发电机电压接在电器设备上，此时电压已经超出额定电压的20%，可能烧毁用电设备。为了防止汽车电气设备在发电机撇载后出现烧毁现象，需要对汽车用电设备进行保护，这个保护用电设备的电路，我们称之为汽车电源保护器。本项目主要就是研究保护汽车用电设备的保护电路，以便使汽车能安全、可靠地运行。
三、汽车电源保护电路结构
汽车电源保护电路主要是把用电设备电压控制在额定电压的10%以内。而对于汽车而言，出现撇载现象之前，用电设备不会出现过压现象而烧毁；出现撇载现象后，电压升高可能烧毁用电设备。电路设计上采用两部分组成，一部分采用开关控制哪一路电路接通；另一部分采用直流串联稳压电路使撇在后输出电压稳定。该电路主要由稳压电路和开关控制电路两部分组成，撇载之前电源电压经过常闭触点加在负载上，此时保护电路几乎对原电路没有影响；撇载之后，电压经过常开触点送到稳压电路，经过稳压后加到负载上。这样就可以保证用电设备在额定电压下工作，从而使用电设备更加可靠地运行。
四、汽车电源保护电路工作原理
电源保护电路与普通串联型稳压电源略有不同，在稳压电源的前边增加了多触点继电器，当电源电压在12伏（汽车发电机撇载之前）时，继电器不动作，电源经继电器常闭触点，加到用电设备上。当电源电压增加到12.5伏以上时，继电器动作，常闭触点打开，常开触点闭合，电源电压经继电器常开触点，经串联稳压电路稳压后加到用电设备上。
串联稳压电路使用了具有温度补偿特性的，高精度的标准电压源集成电路TL431，所以使电路简化，成本降低，而稳压性能却很高。稳压管TL431的稳压值连续可调，这个稳压值决定了稳压电源的最大输出电压。调整管用的是大电流NPN型金属壳硅管，由于它的发热量很大，如果条件允许，尽量购买大的散热片，扩大散热面积，如果不需要大电流，也可以换用功率小一点的硅管，这样可以做的体积小一些。滤波用两只50V、4700uF电解电容并联，使大电流输出更稳定，如果考虑高频波影响，可以增加一个低容量滤波电容。
五、汽车电源保护电路设计技术关键点
应用汽车电源保护电路可以有效保护汽车用电设备，防止用电设备因为电源电压升高而损坏。虽然电路在设计上采用稳压电路，但又与传统串联型稳压电路不完全相同，具体体现在以下几方面：
1.电源调整管采用双管串联形式，可以提供更大的电流。汽车电路具有低电压、大电流的特点，因此采用双管串联，可以增加输出电流。电流的增加会使调整管管耗增加，调整管可能会产生大量的热量，三极管的选择很重要，同时散热问题也是项目研究的重点，除了考虑增大散热片外，必要时还可以考虑增加风扇散热，以保证三极管工作稳定。
2.为了降低电源保护设备插入损耗，采用继电器对电路中电压分段控制。利用继电器控制串联稳压电路的工作状态，只有在电源电压升高时，稳压电路工作，其他情况下稳压电路不工作，这样就可以降低设备损耗。
3.继电器在断开、吸合瞬间，可能产生脉冲电压，影响输出电压稳定。为了防止输出电压受到影响，电路中采用双电容并联形式，提高电路的充放电时间，降低由于继电器动作产生的影响。
汽车电源保护器主要是针对目前汽车市场上出现用电设备偶尔烧毁而设计的，电路结构简单，稳压效果好，安装维护比较方便，插入损耗小。该电路主要为5A以上用电设备设计的，如果为收音机、电视机等供电，电源调整管还可以选择小功率管。电路的缺点是输出电压在继电器动作前后可能不一致，设备体积可能略大，如果采用风扇散热，可能增加设备能耗等。但不管怎么说，这都是目前市场上绝无仅有的一款为汽车电器设备设计的保护电路，随着汽车电子技术的飞速发展，在不久的将来它将发挥巨大的作用。
参考文献：
[1]张华.汽车电工电子技术.北京理工大学出版社，2011.8
关键词：MC34063A；宽电压输入；降压型电路；嵌入式系统
中图分类号：TN964?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2014）04?0142?03
ApplicationofswitchingpowerchipMC34063Ainembeddedwidevoltageinputdevices
ZHUXiao?yu，LIJin
（CollegeofSciences，HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou451191，China）
Abstract：Powersupplyisanimportantcomponentofelectronicsystem.Thestabilityofthepowersupplyaffectstheperformanceandservicelifeofthewholesystemdirectly.Thecorevoltageofembeddedsystemsisusually+5V.Inordertomakesurethesystemhaveawideradaptability，thestep?downwidevoltageinputcircuitdesignedaccordingtotheprincipleoftheswitchingpowerchipMC34063Aisintroduced.Thecircuitdesignwascompletedbyparametercalculationofitsperipheraldevices.Theseveralimportantperformanceindexesofthesystemweretested.Thegoodstabilityandpracticabilityofthewidevoltageinputcircuitwereverifiedbythetestedresults.Comparedwithotherwidevoltagemodes，thisdesignhasawideradaptabilityandaccuracy.
Keywords：MC34063A；widevoltageinput；step?downcircuit；embeddedsystem
0引言
嵌入式的检测设备核心电压多为+3.3V或+5V，其往往被带到各种环境下进行检测工作，而每一种环境能够提供的电压标准常常不一致。虽然每一个器件都有其工作电压上限和下限，但在非正常电压下工作，器件极易损坏，从而造成整个设备的故障。一个在各种电压标准下都能够正常工作的宽电源电路设计就显得很有必要。MC34063A能够在很宽的电压范围内正常工作，保持输出稳定可靠。
1MC34063A芯片介绍
MC34063A是一种单片双极型线性集成电路，能够实现升压和降压效果，专用于直流-直流变换器控制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。
具有以下特点：
（1）能在3～40V的输入电压下工作；
（2）带有短路电流限制功能；
（3）低静态工作电流；
（4）输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）；
（5）输出电压可调；
（6）工作振荡频率从100Hz～100kHz；
（7）可构成升压降压或反向电源变换器。
管脚及内部结构图如图1所示。
2MC34063A的降压型宽电压输入应用电路
一个比较精确地嵌入式硬件电路应该对模块进行焊接、调试，避免遇到问题时无从下手检查。由于系统中每个电路模块都需要接入输入电源，如果电源输入不当，则会使输出结果不当甚至烧坏系统。因此电路的设计至关重要，本系统的电路设计如下文所示。
图1MC34063A管脚及内部结构图
2.1电路原路图
如图2所示，是采用MC34063A芯片构成的降压型宽电压输入电路。
图2降压型宽电压输入电路
Vin可以在7～40V的范围内变化，而Vcc保持不变。其原理是当芯片内部开关管T1导通时，电流经MC34063A的1脚、2脚给电感L4、定时电容C4以及负载供电，同时电感L4存储能量；当T1断开时，续流二极管D2导通，此时由电感L4继续给电容C4和负载供电。由于电源间歇供电，所以输出电压低于电源电压。这样只要芯片的工作频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续直流电压[1]。
2.2电阻参数计算
根据芯片手册可知：
[VCC=1.251+R1R2]
也就是输出电压与输入电压Vin没有直接关系（Vin>VCC），只需要选好R1和R2的参数即可保证在输入变化的情况下输出保持稳定不变。
通过计算和实际比较，R1选用[103]kΩ（即3个10kΩ并联），R2选用10kΩ。这样：
[VCC=1.251+R1R2=1.25×1+3=5]
R10为限流电阻，当电流值超过1A时起作用，通常选取0.33Ω。
2.3电容电感的选取
电感L4是存储电能的作用，其计算公式为：
[Lmin=Vmin-VcetTonIpk]
式中：Vcet=1.0V；Vmin为输入电压的最小值；Ton为导通时间；Ipk为输出电流。
电容C4=0.0004Ton，Ton为开关管的导通时间[2]。通常选取L4=220μH，C4=270pF。
3输出特性性能分析
宽电源的输出特性主要技术指标有：误差分析、稳定性分析、温度影响量分析。本小节测试所使用的测量仪器为HP34401台式数字万用表[3]。
3.1误差分析
宽电压输入设备的基本要求就是输入电压可以在一定范围内变化而输出保持基本不变，误差要达到要求。经过测量，本设计的输出电压如表1所示。
表125℃室温下输出与输入测量值V
由表1可以计算出最大相对误差：
[Δsm=ΔxA×100%]
式中：[Δx]为最大绝对误差；A为理论输出值5V。
所以：
[Δsm=ΔxA×100%=0.025×100%=0.4%]
综合，最大相对误差为0.4%，达到嵌入式系统对输入电压的要求范围。
3.2稳定性分析
稳定性主要是指给定一个稳定的输入量，在任何时间下输出都保持稳定的状态。本部分测试所给定的输入电压为9V，每间隔15min对输出进行一次测量[4]。测得的数据如表2所示（室温25℃）。
表2稳定性测量
稳定性的计算公式为：
[δ=1NN=0～NX-X′2]
式中：N为测量次数；X为理论值；X′为测量平均值；
根据上式代入数值得：
[δ=1100～105.00-5.0062=0.02]
稳定度较好，达到嵌入式系统的电源要求。
3.3温度影响量分析
温度影响量主要是指在稳定的输入条件下，调节环境温度，测试输出量。输出量变化越小，则系统的温度稳定性越高。本测试在保持输入为+12V的条件下，逐步改变环境温度对输出电压进行测量[5]。
测试的结果如表3所示。
表3温度影响量测量
根据表3可知，在不同的环境温度下系统的输出值会产生一定的波动，但总体保持稳定。根据稳定度的计算公式：
[δ=1NN=0～NX-X′2]
式中：N为测量次数；X为理论值；X′为测量平均值；
可以计算出温度稳定度为0.03。达到嵌入式系统所要求的范围[6]。
4结论
本设计电路使用了很少的元器件达到了很宽的输入电压目的，并且通过测试，在不同的输入电压下，电源输出稳定可靠，误差在许可范围内。可以在嵌入式系统中可靠应用。相对于其他的宽电压，本设计的精度更高，稳定性更可靠。
参考文献
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关键词：电源模块保护电路应用
中图分类号：TN4文献标识码：A文章编号：1672-3791（2017）04（a）-0045-02
随着微电子技术的发展，要求计算机的性能更加安全可靠，而计算机电源系统是否稳定，关系到整个计算机的工作状态及性能，为了确保计算机电源系统输出电压稳定和计算机电源自身的安全，计算机电源设计中保护电路的应用设计日趋重要。
1保护电路介绍
1.1保护电路构成
保护电路一般由故障检测电路、电压翻转电路、保护执行电路三部分组成，有的包含有保护显示电路[1]。故障检测电路对保护电路的电压或者电流进行检测，并将检测结果送到翻转电路，当检测到的电压或者电流超过设定值时，故障检测电路将检测到的故障信息送到翻转电路。产生保护控制电压，驱使保护执行电路动作，使保护电路退出工作状态或进入相应的保护状态，达到保护目的。常用保护电路构成如图1所示。
1.2保护电路种类
保护电路种类划分方法较多，根据故障检测电路的检测方式分为过流检测保护电路、过压检测保护电路、失压检测保护电路及IC内部检测保护电路；根据保护电压翻转电路的类型可分为三极管电压翻转保护电路、可控硅电压翻转保护电路、模拟可控硅翻转保护电路和IC内部电压翻转保护电路；根据保护执行方式可分为待机处理保护电路、小信号处理保护电路、电源震荡驱动保护电路、稳压处理保护电路和保护电路直接执行保护的保护电路。
2电源模块保护电路设计
某计算机电源设计可利用空间较小，在230mm×200mm的印制板上需要将220V交流电转换成+5V、+12V、-12V等多种稳压直流电源。为了避免因电源故障造成对其他部件损坏，需要电源保护电路设计。（如图2）
2.1输入电源检测电路设计
输入～220V的保护电路分三种，选用压敏电阻并接输入电源零火线两端，当输入电压超出压敏电阻的耐压值时，压敏电阻击穿短路，导致保险丝烧断而起到保护作用，选用热敏电阻串入输入电源火线上，因短接等原因导致电流过大超出热敏电阻指标时，热敏电阻烧断而切断电源，起到保护其他组件的作用；采集交流整流滤波后的直流300V，将300V分压后送人比较器MAX973输入断，和比较器MAX973另一输入端的基准电源进行比较，在电压要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。
2.2输出电源检测电路设计
采集+5V输出直流电源，分压后送人比较器输入端，和比较器输入的基准电源进行比较，+5V电源在要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。
采集+12V输出直流电源，分压后送人比较器输入端，和比较器输入的基准电源进行比较，+12V电源在要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。
采集-12V输出直流电源，分压后送人比较器输入端，和比较器输入的基准电源进行比较，-12V电源在要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。
2.3翻转电路设计
将MAX973输出端接入光电耦合器一端，光电耦合器输出端和+5V、+12V、-12V检测比较器电路的输出端并接到比较器负端，和接在比较器正端的基准电源进行再次比较，输入电源和三路输出电源检测电路中任何一个电源电压值超出预定范围，则翻转电路输出电压开始翻转，将翻转后的电平送到执行电路输入端。
2.4执行电路设计
该电源模块借用DC/DC直流稳压模块自身具有的软启动保护功能，当输入端保护端管脚为低时，DC/DC直流稳压模块停止工作。翻转电路送出电平为0～5V，而DC/DC直流稳压模块输入电源为300V，为了防止模块损坏对翻转电路造成逆向损坏，在翻转电路输出端和DC/DC直流稳压模块输入保护端之间增加光电耦合器进行隔离。
3应用效果
该计算机电源模块完成设计、生产、调试后，对其保护电路的各项保护功能进行测试，均达到预定目标，满足了使用要求。
参考文献
[1]孙铁强.进口彩电保护电路原理与维修[M].中国水利水电出版社，2010.
关键字：直流电源；低纹波；双电池；通断原则
中图分类号：TN86?34；TP303+.3文献标识码：A文章编号：1004?373X（2016）14?0150?04
Designandimplementationoflow?rippledualbatteryDCregulatedpowersupply
LIJie，CHENGWeibin，FENGDu，MANRongjuan
（SchoolofElectronicEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China）
Abstract：Inordertorealizethelow?rippleoutputofthepowersupply，alow?rippledualbatteryDCpowersupplywasdesignedwiththeripplecontrolmethod，whichcanswitchfromthelowpowerstatetofullpowerstateautomatically.Theripplecharacteristictestforthepowersupplywasperformed.Theoriginalsignalistransmittedtothemaincontrolcircuitthroughthevoltageacquisitioncircuit，andthenthemaincontrolcircuitisusedtocontrolthechargingandsupplyingpowerselectioncircuitaccordingtotheon?offprincipleoftherelayswitchandcollectedvoltagesignal.Thepowersupplybatterycanrealize+5Vvoltageoutputinonechannelandadjustablevoltageoutputintwochannelsthroughthelinearvoltageadjustmentcircuit.ThelowrippleDCvoltageregulatoroutputfromchargingstatetosupplyingpowerstatewasimplemented.Acoaxial?cabletestingdevicewasadoptedinpowersupplyrippletest.ThetestdatashowsthatthelowrippleDCregulatedpowersupplyhasgoodrunningconditionandgreateradvantageinripplecontrolincombinationwithotherDCpowersupply，anditsoutputvoltageisstable.
Keywords：DCpowersupply；lowripple；dualbattery；on?offprinciple
0引言
提高参数测量精确度的重要方法是降低各类误差，其中直流电源纹波是产生误差的主要根源之一。二极管工频整流后直流电源有较大的工频纹波，需要较大容量滤波器件；开关电源采用高频工作，滤波器件体积和容量降低[1]，但存在高频纹波，虽然通过增加电路滤波器件可降低纹波，有时可达几毫伏，但仍达不到高精度测量的要求[2]。
本身没有纹波的直流电池供电是一种较好的选择，可以得到高质量的直流电源供应，但单一电池的容量有限，需要充电。有些电源采用交流供电、电池备用的方式，可保证交流失电后一段时间内的供电，交流供电时的纹波仍然存在。
为了克服了现有工频整流稳压电源和开关电源纹波控制技术的不足，以及电池容量有限不能持续低纹波输出的问题，本文设计了一种基于STC89C54的低纹波双电池直流稳压电源。
1硬件电路原理
系统的硬件主要包括控制主电路、电压采集电路、充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池以及电源适配器，电路结构如图1所示。
控制主电路包括单片机STC89C54、A/D转换器PCF8591和LCD12864。PCF8591把模拟型的电压信号转换成数字信号，供单片机进行信号处理；单片机根据当前电池的充、供、欠、满4种状态和继电器通断原则，实现对双电池充电和供电的最优控制；液晶显示器显示各个电池的充、供、欠、满4种状态，并且实时显示各个电池当前电压以及充电电池的充电电流，为使用者提供便捷。
电压采集电路由分压电阻、运算放大器和充电电流采样电阻组成，电池端电压首先通过分压电阻分压，再由运算放大器调整到可采集的电压范围，最后传输到PCF8591进行A/D转换，而充电电流采样电阻的作用是把充电电流信号转换成电压信号。
充电选择电路和供电选择电路分别是由两个继电器开关和两个二极管组成[3]，控制主电路遵循通断原则控制继电器闭合与断开，在保障持续供电的前提下，尽可能使稳压电源低纹波输出。线性电压调整电路采用线性稳压模块、滤波电路和缓冲电路来稳定输出和降低开关调整产生的谐波，以此实现稳定的低纹波输出。可充电电池选择12V电池，并配备相应的电源适配器。双电池低纹波直流稳压电源供电原理图如图2所示。
2硬件电路设计
2.1控制主电路设计
控制主电路是以自带看门狗的单片机STC89C54为控制核心，A/D转换器PCF8591输出的数字信号和充供继电器开关的通断情况作为单片机的输入信号，LCD12864为显示输出，单片机遵循以下几个通断原则控制双电池的充供电：
（1）该电池充电开关需要闭合时，必须同时满足：
①该电池处于未充满状态；
②该电池的供电开关处于断开状态（即该电池不供电）；
③另一电池的充电开关处于断开状态（即两个电池不同时充电）。
（2）该电池充电开关需要断开时，只需满足其一即可：
①该电池处于充满状态；
②该电池的供电开关即将闭合（即需要该电池供电）；
③另一电池的充电开关即将闭合（即两个电池不同时充电）。
（3）该电池供电开关需要闭合时，必须同时满足：
①该电池处于不欠电状态；
②该电池的充电开关处于断开状态（即该电池不充电）；
③另一电池的供电开关即将断开（即两个电池不同时供电，但为了保证后级供电，需要该电池供电开关闭合后，另一电池供电开关才能断开）。
（4）该电池供电开关需要断开时，只需满足其一即可：
①该电池处于欠电状态；
②该电池的充电开关即将闭合（即该电池需要充电）；
③另一电池的供电开关已经闭合（为保证后级供电，另一电池供电开关闭合后，该电池供电开关才能断开）。
如图2所示，以上四条通断原则逻辑关系可总结为：
式中：B1Q，B1M分别代表B1电池欠电和B1电池满电。
以通断原则为根本控制思想，完成软件程序的编写和调试，是实现低纹波、稳定、持续供电的核心思路。
2.2电压采集电路设计
由于电池充电时，采集到的电池端电压是充电器的端电压，不能只用电池端电压值来判断电池是否满电，所以需要电池端电压信号采集电路和充电电流信号采集电路配合使用[4?5]。
电池端电压信号采集电路又可分为正极性电池电压信号采集和负性电池电压信号采集，由于所选择的串行A/D转换芯片PCF8591可识别0～5V电压信号[6]；故正极性电池电压信号需通过一组分压电阻分压为0～5V，再接电压跟随器即可采集成功；而负极性电池电压信号由于负电压的特殊性，需先通过分压电阻分压为反相运算放大器可识别的电压范围内，然后选择合适的放大倍数，反向放大到合适的电压区间[7]。负极性电池端电压信号采集电路如图3所示。
充电电流信号采集电路也可分为正极性充电电流信号采集和负性充电电流信号采集。采集到信号实际上是电压信号，但是考虑到功耗问题，所选用的采样电阻十分小，故采集到的电压信号十分微弱，所以分别需要通过同相比例放大器和反向比例放大器来放大采集到的微弱电压信号，并且在放大器输入端加入了RC滤波电路来抑制干扰。
这样就使得所有电压信号满足PCF8591芯片的采集范围，为后级控制主电路的信号输出提供参考。正极性充电电流信号采集电路如图3所示。
2.3其他电路设计
除了控制主电路和电压采集电路，该系统还包括充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池和电源适配器。
这几部分电路中，充电选择电路和供点选择电路分别是由两个5V继电器和两个二极管组成，由单片机根据通断原则依次输出高低电平来控制各个继电器的导通和断开，二极管的单向导通性，保证了充电电流或者供电电流的单向性；线性电压调整电路通过三块线性稳压模块分别可实现一路5V和两路可调电压输出，稳压模块前级输入和后级输出分别并联0.1μF普通电容和100μF电解电容来对输入/输出电流滤波和缓冲，达到稳定输出和降低开关调整谐波的目的，以此实现稳定的低纹波输出。
线性稳压模块的性能要求输入电压比输出电压高2～3V，所以本设计选择无纹波的12V可充电电池为后级电路提供低纹波直流电压，前级交流充电选择与之匹配的电源适配器提供充电电流。
3软件系统设计
低纹波双电池稳压电源开始上电，程序初始化完成，接着将采集到的电压信号A/D转换并显示于LCD12864，然后控制主电路判断双电池是否均欠电，若均欠电，则充满一个电池，再依次执行A/D转换子程序、电池状态扫描子程序、供电子程序、充电子程序以及液晶显示子程序；若至少一个电池不欠电，则直接执行后级子程序。设计流程图如图4所示。
4电源纹波测试分析
电源制作并调试完毕后，采用同轴电缆测试装置来对电源进行纹波测试，在被测电源的输出端接RC电路后经输入同轴电缆后接示波器的AC输入端，具体连接方法如图5所示[8]。
示波器选用RIGOL公司的DS1204B，在示波器的设置方面，应注意尽量使用示波器最灵敏的量程档，打开AC耦合和带宽限制功能，表笔选用同轴电缆，并设置衰减比为1倍[9?10]。
根据以上方法，分别对普通直流电源（兴隆NS?3）、可编程直流电源（RIGOLDP832）和本设计的低纹波直流电源进行纹波对比，三种电源输出电压均为5V，测量结果如图6所示。
由图6可知，普通直流电源输出纹波为5.36mV，可编程直流电源输出纹波为2.88mV，低纹波直流电源输出纹波为400μV。
纹波对比试验结果可知，同环境、同电流以及同负载情况下，本文设计的低纹波直流电源输出纹波电压低于500μV，在输出纹波方面优于其他直流电源。
5结语
设计的低纹波直流电源可以准确识别电池电压和充电电流，并能遵循开关通断原则实时控制继电器，控制状况良好。输出纹波对比试验表明：本设计在纹波控制方面具有较大优势，是实现高精度参数测量的有效途径。
目前，该低纹波双电池直流稳压电源已成功应用到旋转导向钻井测斜仪中，电源工作稳定可靠，参数测量精确度明显提高。
注：本文通讯作者为程为彬。
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关键词:电涡流测功机;直流线性稳压;二级电压控制;模拟故障
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)10-189-04
NewTypeofHigh-powerLinearDCVoltage-stabilizedPower
SourceinEddyCurrentDynamometer
ZHANGXukai,ZHANGWenming,ZHOUHaiyong
(ShanghaiInternalCombustionEngineResearchInstitute,Shanghai,200438,China)
Abstract:Anewtypeofpowersourceusedforexcitationvoltagecontrolineddycurrentdynamometerindesigned.BasedontheSCRrectificationcircuitandanalogtechnology,usingthefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowerMOSFETregulationtooutputlinearDCvoltage.Over-loadprotectioncircuit,open-phaseprotectioncircuitandthermal-shutdowncircuitaredesignedforequipmentreliability.ExperimentalresultsshowthattheequipmentcanoutputlinearDCvoltageandthevoltagestabliltyfulfiltheneedsofeddydynamometer.Theequipmentalsocanquicklyshutdownwhenatfaultstatussuchasover-loads,open-phaseandoverheat.ThepowersourcedesignedbythefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowerMosfetregulationcanfulfiltheneedsofvoltageofeddydynamometer.
Keywords:eddydynamometer;DClinearvoltagecd
stabilized;secondaryvoltagecontrol;analogfault
测功机是发动机台架检测系统中重要的组成部分,用于测量发动机的有效功率。对测功机来讲,为了满足发动机所有转速和负荷范围内都保持稳定运转工况,并且可以平顺且精细地调节负荷,需要一个稳定的加载器来满足发动机实验的要求,需要对加载器提供稳定且可线性变化的电源。在电涡流测功机中,需要对励磁电机提供的直流电源进行驱动,以完成发动机台架检测。
由于电涡流测功机励磁电机要求磁场恒定,故要求电源提供的负载电压恒定不变,而且磁场一般都是稳定的,还要求有较好的电压稳定度,即要求即使输入电压发生一定变化时,输出电压应保持不变。
为了达到平顺调节负荷的目的,输出电压应有适当的线性调节范围,并且还要有一定的保护措施。根据设计需要,该电源输出电压的变化范围为0～180V,要求最大负载功率为5.4kW,输出电压稳定度应优于1%。
1工作原理
由于要求的电压调节范围较宽,要求的功率较大,目前电涡流测功机励磁加载电源采用较多的方法是可控整流器,在此通过控制晶闸管的导通角进行调压。其工作原理是对晶闸管的控制极进行控制,通过改变晶闸管的导通角,可以在输出端获得平均值和有效值都随导通角变化而变化的直流脉动电压。采用该原理设计的电源可以达到很高的输出功率,但是电压稳定性差,而且控制呈显著的非线性,不适合电涡流测功机对电压的要求。因此,该电源采用晶闸管三相桥式移相控制和功率MOSFET调整两个控制环联合控制的方法,使输出电压可以满足大功率、高稳定度和可宽范围线性调节的要求。
1.1系统方框图
由于该电源要求功率较大,并且对电压稳定度也有较高的要求,所以采用如图1所示的电源方框图。
1.2可控整流原理
如图2所示,通过控制晶闸管的导通角,可以在整流电路输出端获得随控制电压变化的电压。
可控整流电路是指在输入交流电压的波形和幅值一定时,输出电压的平均值可以通过调节晶闸管的导通角进行调节。采用可控整流电路可以提高变压器的初、次级利用率,具有较大的功率因数和较小的脉动率,因此选作为主回路。
由于采用整流滤波电路以及稳压电路构成两级控制环。因此选择对整流滤波电路要考虑两点:考虑调整管的工作状态,确保调整管能工作在线性放大区;考虑交流电网波动的影响。交流电网的波动会反映到整流滤波电路的输出电压上。按照国家有关规定,在没有特定说明的情况下,一般按变化±10%来考虑。这就要求当电网电压变化±10%时,调整管要处于线性放大区,从而使稳压电路能保持正常工作。在该电源设计中,由于负载容量较大,使用单相电源会造成三相电网的不平衡,影响电网中其他设备的正常工作,所以采用的是三相桥式全控整流调节方式。三相可控整流的脉动频率比单相高,纹波因数显著低于单相。三相全控桥式整流电路电路可以在负载上得到比三相半控桥式整流电路更为均匀的波形。
采用市场上常见的三相整流功率模块,集成了晶闸管三相桥式整流电路以及触发电路,通过对模块的输入电压进行控制,即可完成整流与调相功能。通过在功率模块输入端连接三相隔离变压器,将输出电路与交流输入隔离。隔离变压器具有电压变换功能及有源滤波抗干扰功能。隔离变压器在交流电源输入端的特点为:若电网三次谐波和干扰信号比较严重,采用隔离变压器,可以去掉三次谐波和减少干扰信号;
采用隔离变压器可以产生新的中性线,避免由于电网中性线不良造成设备运行不正常;非线性负载引起的电流波形畸变(如三次谐波)可以隔离而不污染电网。
隔离变压器在交流电源输出端的特点为:防止非线性负载的电流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染,起到净化电网的作用;在隔离变压器输入端采样,使得非线性负载电流的畸变不影响取样的准确性,得到能反应实际情况的控制信号。
对于小功率或者中等功率的使用场合,可以采用单相桥式半控的方法作为其整流主回路。电路组成可以选择晶闸管模块作为主回路,使用KC04芯片作为晶闸管模块的移相触发电路。通过调节KC04的控制电压控制晶闸管的导通角,从而得到随控制电压变化的直流脉动电压。
1.3串联反馈晶体管电路
可控整流输出的电压经电容整形滤波后的电压仍然具有较大的纹波,波动很大,而且很容易受电网电压的影响,并且单纯控制晶闸管的导通角得到的输出电压呈明显的脉动和非线性。这就要求系统在可控整流电压输出端添加串联反馈调整电路,使输出电压达到设计要求。其稳压原理是调整元件的动态电阻,它是随输出电压的变化而自动变化的。当负载电阻变小使输出电压降低时,调整元件的动态电阻便会自动变小,从而使调整元间两端的压降降低,确保输出电压趋近原来的数值。串联反馈调整电路的框图如图3所示,包括调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器等部分。输入电压经过调整元件调节后,变成稳定的输出电压,取样电路与基准电压相比较,并把比较后的误差信号送入放大器,增强反馈控制效果。采用串联反馈调整型稳压电路,输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制,而且各项技术指标均可以做得很高。但是过载能力差,瞬时过载会使调整元件损坏,需要添加过载保护电路。
1.4调整元件控制电路设计
在该电源系统中,采用大功率MOSFET作为调整元器件,与三相桥式移向控制一起组成输出电压控制环。
1.4.1三相调压模块的控制
由于采用三相调压模块,所以只需对调压模块进行控制,即可完成整流输出功能。尽管三相模块中控制电压与晶闸管的导通角呈线性关系,如图2所示,晶闸管的输出电压与晶闸管导通角的变化却呈非线性关系;同时,为了保证电源功率输出调整管集-射级之间的电压差基本稳定,便于控制功耗,提高电源安全性,需要使电源功率调整管的输入电压基本呈线性变化。这里采用对控制电压进行非线性处理后,再输入到三相整流模块控制端的方法。控制输入电压经过二极管后作用到运算放大器,利用二极管的非线性特性与三相模块的非线性进行匹配,基本上可以使计算机输出的控制电压与晶闸管整流输出的电压呈现线性比例关系。电压输入/输出特性如图4所示,线路如图5所示。
1.4.2功率MOSFET的控制
该电源选用功率MOSFET作为调整元件,为电压控制型器件,在驱动大电流时无需驱动级,具有高输入阻抗,工作频率宽,开关速度高以及优良的线性区。为了保证电源的可靠性与安全性,需要将强电控制部分与弱电控制部分进行隔离。在此采用光电耦合器完成地的隔离,具体过程如图6所示。
MOSFET的控制电压由计算机提供,经过F/V变换器、光电耦合器、V/F变换器变换后与取样电路取来的电压信号同时作用在比较放大器的输入端,通过与基准电压进行比较,比较放大器将输出相应的电压去控制MOSFET,以稳定输出电压。由于负载电流较大,因此MOSFET需采用并联连接方式,增加输出电流,确保在大电流情况下电源的正常工作。并联运用时,各管的参数尽量一致,可以在发射极串联均流电阻,利用负反馈减小电流分配的不均匀。电路如图7所示。
2监控管理设计
2.1电源保护电路
由于采用串联反馈型稳压电路作为电压控制环,因此在测功机发生短路或者过载时会有很大的电流流过调整管MOSFET,并且所有输入电压几乎都加在调整管的集-射级之间,很容易将其烧坏,因此添加保护电路是必需的。常用的过电流保护电路有限流型、截止型和减流型。这里采用晶体管截止型保护电路,其原理是当负载电流达到限流值,过电流保护电路使稳压电源进人截止状态,并不再恢复,使稳压电源与负载得到有效的保护。其优点是:这时的电源调整管功耗为零,最大缺点是:属冲击性负载时,容易误动作,使稳压电源进人过流保护
状态,且一旦进入过电流保护状态后,即使过电流状态解除,也不能自动复位。具体线路如图8所示,当电流超过额定负载时,采样电阻R4两端电压上升,使晶闸管SCR导通,晶体管NPN1导通,NPN2截止,这时MOSFET的栅级输入电压(即R3处的电压)被强制拉底,使MOSFET输出为零;同时,串联在过载保护线路中的光耦导通,使三相功率整流模块的控制信号输入端接地,串联反馈稳压线路的输入电压为零,起到保护元件的作用。
由于电网自身原因或者电源输入接线不可靠,电源有可能会运行在缺相的情况下,而且掉相运行不易被发现。当电源缺相运行时,整流桥上的电流会不平衡,容易造成损毁,因此必须加入缺相保护电路,以进行缺相保护。电路原理图如图9所示,当ABC三相有一相发生缺相时,其对应的电源指示灯熄灭,缺相指示灯亮起,并且通过光耦输出信号到继电器驱动,此时继电器吸合,将三相功率模块的控制输入与地短接,使可控整流输出为零,起到保护电源的作用。
2.3过热保护
在电源处于长时间大电流工作状态或者工作环境比较恶劣时,电源的内部温度很高,会影响电源的可靠性。有资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,这就意味着温度升高50℃时的工作寿命只有温度升高25℃时的1/6。因此,为了避免功率器件过热损坏,必须对电源的温度进行控制。通过控制MOSFET的管压降可以控制MOSFET上的功率,从而减少发热量,降低温度的升高。
在电路设计中增加一个光电耦合器反馈可以完成这个目的,当MOSFET两端管压降过高时,光耦导通,光耦输出信号反馈至三相调压模块的控制输入,使其输出的控制电压降低,从而降低MOSFET两端的管压降,在保证电源正常工作的前提下,使MOSFET的功率保持在额定范围以内。
当使用环境较为恶劣或者出现电路故障时,即使对MOSFET两端电压进行控制,MOSFET的管芯也可达到很高的温度,这就需要对MOSFET进行散热处理,并在MOSFET附近安装温度继电器;当温度高于温度继电器的额定值时,温度继电器导通,通过一个光耦将导通信号传递到三相功率模块的输入端,使其输入为零,从而使电源功率调整管的输入电压为零,起到保护调整元件的作用。当温度回到正常时,电路可自动恢复工作。
各种保护电路与主回路的关系如图10所示。
3结语
经连续负载试验,该设备各项指标均达到技术要求。经过不断的完善和改进,使其性能稳定,工作可靠。采用晶闸管三相桥式移相控制和功率MOSFET调整两个控制环联合控制,可以有效提高电源的稳定度,降低电源的纹波;采用三相隔离变压器接入电网,可以提高电源的安全性,降低对电网功率的要求;采用集成三相功率调压模块,减少了电路的复杂程度;通过添加各种保护电路,在设备出现不正常运转时,及时切断三相输入,保护元件不受到损坏。由于采用截止型保护电路,电源不能自动复位,所以在环境条件允许的情况下,可以采用开关型过电流保护,解决了限流型的高功率损耗,减流型的锁定效应和截止型的手动复位等问题。该电源主要用于需要大功率线性调压的场合,也可用作大功率高稳定度线性稳压电源使用。
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