一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

0 引言
某電信設(shè)備用電源要求輸入為AC 220V，有5V/6A、12V/4A、-12V/0.3A、24V/4A四路DC輸出。并且要求具有在線UPS功能，交流停電時(shí)要無(wú)間隙切換，保證設(shè)備繼續(xù)正常供電，直至營(yíng)業(yè)廳最近一筆業(yè)務(wù)辦彈完畢，系統(tǒng)處理保存完各種數(shù)據(jù)后允許關(guān)機(jī)(上位機(jī)給電源發(fā)出關(guān)機(jī)信號(hào))方可斷電，且要求成本低廉。

1 方案選擇
常用方案為交流輸入側(cè)加一個(gè)輸出AC 220 V的UPS，后面為AC/DC多路輸出開(kāi)關(guān)電源。但這種方案線路較復(fù)雜，成本較高?？紤]到該電源的具體要求，我們確定了以下方案：電源分兩級(jí)，第一級(jí)為AC/DC，將AC 220V變換為DC 24V，一方面為24V負(fù)載供電，同時(shí)給24V蓄電池充電(因?yàn)樵撾娫粗行铍姵貫閭溆秒娫?，為浮充使用狀態(tài)，故充電電壓取2.275V/cell，24 V蓄電池的浮充電壓即為2 275x12=27.3 V。因而實(shí)際輸出電壓設(shè)計(jì)為27.3V，以對(duì)蓄電池浮充電，24V負(fù)載允許15％電壓波動(dòng))。第二級(jí)為DC/DC，將24 V變換為5 V及12V多路輸出。這樣，既滿足了使用要求，電路又較簡(jiǎn)單，成本較低。該電源原理框圖如圖1所示。

2 工作原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.1 第一級(jí)AC/DC
考慮到輸入為AC 220V，為降低開(kāi)關(guān)器件電壓定額，主電路拓?fù)洳扇“霕蚍绞?，fk50 kHz，PWM控制芯片采用TL494。眾所周知，TL494是TI公司生產(chǎn)的使用非常廣泛的電壓型PWM控制芯片，包含兩個(gè)誤差放大器，一個(gè)振蕩器，一個(gè)死區(qū)時(shí)間控制比較器(DTC)，一個(gè)脈沖調(diào)整控制觸發(fā)器，一個(gè)5 V精度5％的基準(zhǔn)電源及輸出控制電路。該芯片可通過(guò)輸出控制端(腳13)接地或接基準(zhǔn)電壓Vref選擇輸出為單端并聯(lián)方式或推挽工作方式。在本電源中，TL494 工作于推挽工作方式。一個(gè)誤差放大器用作輸出電壓反饋控制，一個(gè)誤差放大器用來(lái)進(jìn)行一次側(cè)過(guò)流保護(hù)，DTC用來(lái)進(jìn)行輸出電壓過(guò)壓保護(hù)，因?yàn)樵贒TC上電壓為0～3.3 V時(shí)，死區(qū)時(shí)間占空比在3％～100％間線性變化。TL494對(duì)接線路如圖2所示。

為了保證蓄電池不會(huì)放虧，延長(zhǎng)電池使用壽命，設(shè)有欠壓保護(hù)電路，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，不論何種原因，當(dāng)電壓低于蓄電池終止電壓(理論值21 V，實(shí)際設(shè)計(jì)值為2I.5 V)時(shí)，繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，切除蓄電池負(fù)載，并保持該狀態(tài)至下次交流恢復(fù)供電，為防止在動(dòng)作值臨界點(diǎn)附近比較器輸出產(chǎn)生振蕩，加有正反饋環(huán)節(jié)，使比較器輸入信號(hào)產(chǎn)生回差滯環(huán)。
2.2 第二級(jí)DC/DC
由于DC/DC部分輸出功率不大，約80 W，且為多路輸出，故采用單端反激線路是合適的。工作頻率fk取100 kHz，PWM控制芯片采用UC3845A，該芯片是一種常用的低成本電流型PWM控制芯片，除包含一個(gè)誤差放大器、一個(gè)內(nèi)部振蕩器、一個(gè)5 V基準(zhǔn)電源、一個(gè)欠壓保護(hù)比較器及大電流圖騰柱輸出級(jí)外，該芯片還包含一個(gè)電流傳感比較器，因而具有逐脈限流的特點(diǎn)。利用該特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了初級(jí)電流逐脈限流保護(hù)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、實(shí)用的輸出側(cè)5V、12 V過(guò)壓保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓管擊穿，晶閘管引起逐脈限流保護(hù)。
因?yàn)镈C/DC的5 V、12V輸出負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)變化較大，且時(shí)序不同，單用5V一路反饋信號(hào)，雖可使5 V在啟動(dòng)及正常工作時(shí)保持穩(wěn)定，但12V的電壓其穩(wěn)定性在啟動(dòng)時(shí)受5 V負(fù)載變化的影啊較大，亦即動(dòng)態(tài)交叉負(fù)載調(diào)整率較大，不滿足設(shè)備使用要求。為提高12V的輸出電壓的穩(wěn)定性，引入了 12 V輸出的反饋信號(hào)，如圖4所示。

在12V輸出與 UC3845A的腳2反饋端VFB加反饋電阻(實(shí)際應(yīng)用中，為方便滿足設(shè)計(jì)電阻位，設(shè)汁為兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻)，因原副邊共地，故直接分壓反饋，不用光耦隔離，簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、響應(yīng)快，取反饋比例系數(shù)K=0.5，因5 V單一反饋時(shí)流入VFB腳的反饋電流IFB=(5-2.50)/(5.1xlO3)=490(μA),故12V反饋電流為K4x90=0.5x490=245(μA)，則12V輸出與VFB間電阻值為(12-2.50)/24510-6=38.8Ω,取電阻標(biāo)稱值39kΩ。而5V輸出與VFB間的反饋電阻值為(5-2.5)/245x10-6=10.2(kΩ)，取電阻標(biāo)稱值10kΩ。根據(jù)實(shí)際情況，可調(diào)整12V輸出的反饋深度，即調(diào)整反饋比例系數(shù)K，也可引入更多路的反饋信號(hào)，各路反饋信號(hào)的反饋比例系數(shù)可調(diào)整，但其總和應(yīng)為1，此即為所謂多路比例反饋。引入12V反饋信號(hào)后，12V穩(wěn)壓精度提高，5V穩(wěn)壓精度略有降低，滿足了設(shè)備動(dòng)、靜態(tài)要求。
因電源所帶負(fù)載包括CPU及大規(guī)模集成電路，對(duì)電壓沖擊較敏感，故在5V及12V反饋電阻上并聯(lián)有電容引入微分反饋信號(hào)，以抑制開(kāi)機(jī)時(shí)各輸出電壓的上沖幅值。

3 高頻變壓器設(shè)計(jì)
AC/DC高頻變壓器采用El-40立式磁芯，材質(zhì)為鐵氧體PC40，采用“初包次”的繞法，即靠近磁芯最里層先繞一半匝數(shù)初級(jí)繞組，再繞次級(jí)繞組及輔助電源繞組，末了最外層再繞剩下的一半匝數(shù)初級(jí)繞組，亦即所謂“三明治”繞法，使初、次(原、副邊)級(jí)耦合較好，漏感小。
DC/DC高頻變壓器采用EER28立式磁芯，材質(zhì)為鐵氧體PC40，氣隙取1.06 mm，采用“三明治”繞法，同時(shí)因?yàn)楦边厼槎嗦份敵?，故副邊繞組采用堆疊法繞制，以加強(qiáng)耦合，減少漏感，降低成本。對(duì)于輸出電流較大的繞組，采用多股并繞方式繞制，以減小集膚效應(yīng)，增強(qiáng)耦合。

4 結(jié)語(yǔ)
該電源實(shí)測(cè)表明，滿載時(shí)各輸出電壓紋波峰峰值Vp-p(頻帶寬20MHz)如表1所列。

一級(jí)AC/DC效率η=88％，二級(jí)DC/DC效率η=75％，各保護(hù)環(huán)節(jié)工作可靠，滿足設(shè)備啟動(dòng)及正常工作的要求。該電源已批量生產(chǎn)近一年，實(shí)際運(yùn)行可靠穩(wěn)定，性能良好。