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一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設計

作者: 時間:2008-03-24 來源:網(wǎng)絡 收藏
摘要:介紹了一種的多路方法,該第一級為AC/DC,并蓄電池負載。第二級為DC/DC多路電源,采用了多路比例反饋。實際使用表明,該電源工作穩(wěn)定可靠,性能良好。
關鍵詞:多路電源;;AC/DC;DC/DC;多路比例反饋


0 引言
某電信設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,交流停電時要無間隙切換,保證設備繼續(xù)正常供電,直至營業(yè)廳最近一筆業(yè)務辦彈完畢,系統(tǒng)處理保存完各種數(shù)據(jù)后允許關機(上位機給電源發(fā)出關機信號)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加一個輸出AC 220 V的UPS,后面為AC/DC多路輸出開關電源。但這種方案線路較復雜,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,第一級為AC/DC,將AC 220V變換為DC 24V,一方面為24V負載供電,同時給24V蓄電池充電(因為該電源中蓄電池為備用電源,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。因而實際輸出電壓為27.3V,以對蓄電池浮充電,24V負載允許15%電壓波動)。第二級為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,電路又較簡單,成本較低。該電源原理框圖如圖1所示。

2 工作原理及要點
2.1 第一級AC/DC
考慮到輸入為AC 220V,為降低開關器件電壓定額,主電路拓撲采取半橋方式,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,包含兩個誤差放大器,一個振蕩器,一個死區(qū)時間控制比較器(DTC),一個脈沖調(diào)整控制觸發(fā)器,一個5 V精度5%的基準電源及輸出控制電路。該芯片可通過輸出控制端(腳13)接地或接基準電壓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。一個誤差放大器用作輸出電壓反饋控制,一個誤差放大器用來進行一次側過流保護,DTC用來進行輸出電壓過壓保護,因為在DTC上電壓為0~3.3 V時,死區(qū)時間占空比在3%~100%間線性變化。TL494對接線路如圖2所示。

為了保證蓄電池不會放虧,延長電池使用壽命,設有欠壓保護電路,如圖3所示。

由圖3可見,不論何種原因,當電壓低于蓄電池終止電壓(理論值21 V,實際設計值為2I.5 V)時,繼電器觸點斷開,切除蓄電池負載,并保持該狀態(tài)至下次交流恢復供電,為防止在動作值臨界點附近比較器輸出產(chǎn)生振蕩,加有正反饋環(huán)節(jié),使比較器輸入信號產(chǎn)生回差滯環(huán)。
2.2 第二級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,除包含一個誤差放大器、一個內(nèi)部振蕩器、一個5 V基準電源、一個欠壓保護比較器及大電流圖騰柱輸出級外,該芯片還包含一個電流傳感比較器,因而具有逐脈限流的特點。利用該特點實現(xiàn)了初級電流逐脈限流保護,并據(jù)此設計了簡單、實用的輸出側5V、12 V過壓保護電路,當出現(xiàn)過壓時,對應穩(wěn)壓管擊穿,晶閘管引起逐脈限流保護。
因為DC/DC的5 V、12V輸出負載在啟動時變化較大,且時序不同,單用5V一路反饋信號,雖可使5 V在啟動及正常工作時保持穩(wěn)定,但12V的電壓其穩(wěn)定性在啟動時受5 V負載變化的影啊較大,亦即動態(tài)交叉負載調(diào)整率較大,不滿足設備使用要求。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,如圖4所示。

在12V輸出與 UC3845A的腳2反饋端VFB加反饋電阻(實際應用中,為方便滿足設計電阻位,設汁為兩個串聯(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,簡單、準確、響應快,取反饋比例系數(shù)K=0.5,因5 V單一反饋時流入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),取電阻標稱值10kΩ。根據(jù)實際情況,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,各路反饋信號的反饋比例系數(shù)可調(diào)整,但其總和應為1,此即為所謂多路比例反饋。引入12V反饋信號后,12V穩(wěn)壓精度提高,5V穩(wěn)壓精度略有降低,滿足了設備動、靜態(tài)要求。
因電源所帶負載包括CPU及大規(guī)模集成電路,對電壓沖擊較敏感,故在5V及12V反饋電阻上并聯(lián)有電容引入微分反饋信號,以抑制開機時各輸出電壓的上沖幅值。

3 高頻變壓器設計
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)初級繞組,再繞次級繞組及輔助電源繞組,末了最外層再繞剩下的一半匝數(shù)初級繞組,亦即所謂“三明治”繞法,使初、次(原、副邊)級耦合較好,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,同時因為副邊為多路輸出,故副邊繞組采用堆疊法繞制,以加強耦合,減少漏感,降低成本。對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,增強耦合。

4 結語
該電源實測表明,滿載時各輸出電壓紋波峰峰值Vp-p(頻帶寬20MHz)如表1所列。

一級AC/DC效率η=88%,二級DC/DC效率η=75%,各保護環(huán)節(jié)工作可靠,滿足設備啟動及正常工作的要求。該電源已批量生產(chǎn)近一年,實際運行可靠穩(wěn)定,性能良好。



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