開關(guān)式交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)及家電中的電源逐漸被開關(guān)電源所取代。現(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器、調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的，這種穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是承受過載和短路的能力差，效率低，一般只有35％～60％。由于調(diào)整管要損耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管，并裝有體積很大的散熱器。而開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率可達(dá)70％～95％，穩(wěn)壓器的體積小，重量輕，調(diào)整管的功率損耗較小，散熱器也隨之減小。此外，開關(guān)頻率工作在幾十kHz，可用數(shù)值較小的濾波電感、電容元件，故可以大大提高允許的環(huán)境溫度。

1電路組成及工作原理

開關(guān)式交流穩(wěn)壓電源電路框圖如圖1所示。工作原理描述：由三角波發(fā)生電路產(chǎn)生150 kHz的三角波，由低頻正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生50 Hz的正弦波。兩個(gè)信號(hào)分別同時(shí)送到比較器的同相和反相輸入端，在比較器的輸出端將產(chǎn)生矩形波。該矩形波的頻率與150 kHz的三角波相同，該矩形波的脈沖寬度受50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度的調(diào)制后，隨50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度而變化，即已調(diào)制矩形波。將其送到高速電子開關(guān)中一個(gè)輸入端，并經(jīng)過一級(jí)反向器反向，送到高速電子開關(guān)的另外一個(gè)輸入端。

市電整流濾波獲得的倍于輸入交流電壓(典型值約為311 V)的直流高電壓送到高速電子開關(guān)的電源輸入端。高速電子開關(guān)的兩個(gè)輸出端由兩個(gè)反向的輸入矩形波驅(qū)動(dòng)，從約311 V直流電源取得能量后，分別經(jīng)過一級(jí)短時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路連接到高頻開關(guān)變壓器的初級(jí)。該LC濾波電路的作用是使進(jìn)入高頻開關(guān)變壓器初級(jí)的矩形波脈沖拐角趨于圓滑，以降低其高頻諧波。高頻開關(guān)變壓器的初、次級(jí)還起到對(duì)市電隔離的作用，高頻開關(guān)變壓器的次級(jí)獲得交變、拐角圓滑的矩形波電壓，經(jīng)過多級(jí)長時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路，將150 kHz高頻信號(hào)濾除，還原出50 Hz正弦波的調(diào)制信號(hào)。送到負(fù)載用于對(duì)負(fù)載供電。

電壓和電流取樣電路從負(fù)載上獲取電壓和電流信號(hào)，分別送兩路A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，變成離散的數(shù)字信號(hào)。一方面用于通過微處理器處理后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；另一方面用于通過微處理器處理后送D／A轉(zhuǎn)換器變換為模擬量，經(jīng)過光電隔離驅(qū)動(dòng)電路來控制正弦波發(fā)生器的幅值，又經(jīng)過比較器、反向器、高速電子開關(guān)、LC濾波、高頻開關(guān)變壓器、多級(jí)LC濾波等電路，用于控制負(fù)載上電壓或電流的穩(wěn)定。電壓互感器的作用是從市電中獲得低諧波失真的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，經(jīng)由正弦波產(chǎn)生電路控制其幅值；鍵盤用于輸入準(zhǔn)備向負(fù)載提供的電壓或電流值。

2 電路設(shè)計(jì)分析

2．1 可控正弦波產(chǎn)生電路

可控正弦波產(chǎn)生電路的電路圖如圖2所示。

正弦波的來源采用直接從市電的220 V／50 Hz的正弦波，利用電壓互感器變換成較低電壓的50Hz正弦波(例如5 V)。該正弦波的諧波失真度取決于市電的諧波失真度和互感器的參數(shù)，其輸出幅度由D／A轉(zhuǎn)換器控制光電耦合器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，D／A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)控制光電耦合器導(dǎo)通程度，與分壓電阻分壓后產(chǎn)生交流和直流疊加的電壓，經(jīng)電容隔離直流分量，僅保留交流分量送運(yùn)算放大器進(jìn)行若干倍的放大，產(chǎn)生隨D／A信號(hào)幅度大小而控制的純凈交流信號(hào)量。

D／A控制信號(hào)產(chǎn)生的原則是：根據(jù)輸出到負(fù)載上的電壓或電流配合市電的電壓幅度大小進(jìn)行綜合運(yùn)算，由微處理器向D／A轉(zhuǎn)換器提供通過綜合運(yùn)算的數(shù)字量，使得提供給負(fù)載的輸出電壓(或電流)趨于穩(wěn)定。

2．2 脈沖寬度調(diào)制器

PWM產(chǎn)生電路由正弦波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路和比較器三個(gè)部分組成。三角波加到比較器的反向輸入端，正弦波加到比較器的同向輸入端，比較器輸出端產(chǎn)生受正弦波瞬時(shí)幅度而變化的脈沖寬度調(diào)制波。

圖3是電壓型PWM比較器的工作波形，輸入三角波接在比較器的反向輸入端，可控正弦波信號(hào)送至比較器的同相輸入端，經(jīng)放大后輸出PWM信號(hào)。

2．3 高速電子開關(guān)

高速電子開關(guān)電路用于實(shí)現(xiàn)將PWM波功率放大，配合高頻電子變壓器和濾波電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)為受某信號(hào)參數(shù)調(diào)制的矩形波，輸出信號(hào)為還原出該參數(shù)的解調(diào)電路。其典型電路圖如圖4所示，是PWM經(jīng)反相器出來的波形。整個(gè)電路由4個(gè)場效應(yīng)管構(gòu)成的橋式開關(guān)電路、高頻開關(guān)變壓器、多組LC濾波電路(圖中只畫出一組L3，C3)組成。

高頻開關(guān)變壓器Tr還兼起市電隔離的作用。電路中，L1，C1和L2，C2組成濾波電路，用以使輸入到高頻開關(guān)變壓器初級(jí)的矩形波拐角變成“緩變”形狀，以使流經(jīng)變壓器的諧波分量減小，降低干擾。

經(jīng)過高頻開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)到的電壓通過L3，C3(實(shí)際為多級(jí)LC，如三級(jí))的進(jìn)一步濾波可以將PWM的高頻矩形波濾除，在負(fù)載上得到被還原的原調(diào)制波的正弦波形。如圖5所示。

圖5中還原出來的調(diào)制波實(shí)際上是有一定程度的鋸齒波成分，如果用數(shù)字存儲(chǔ)示波器存儲(chǔ)波形，然后局部放大觀測可發(fā)現(xiàn)，如圖5中顯示了局部放大后的鋸齒形狀，其鋸齒程度反映了信號(hào)的失真度，與多級(jí)LC濾波器的性能參數(shù)有關(guān)。

2．4 微處理器

微處理器部分用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的智能化，微處理器部分包括微處理器芯片、鍵盤、LCD顯示器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，且適合于控制的微處理器芯片往往采用單片機(jī)，而單片機(jī)基本上都包含有I／O接口電路、ROM，RAM、定時(shí)器和中斷系統(tǒng)，因此這些部件基本上都不需要擴(kuò)展。
軟件部分的設(shè)計(jì)包括A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、鍵盤系統(tǒng)等功能的子程序，還包含系統(tǒng)監(jiān)控程序和各種中斷服務(wù)程序等，其系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語

在此介紹的開關(guān)式交流穩(wěn)壓電源是一種較為先進(jìn)的交流電源設(shè)計(jì)方案。隨著時(shí)代的快速發(fā)展，開關(guān)電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，目前正在研制開發(fā)開關(guān)與控制電路集成于同一芯片的集成模塊。然而，把功率開關(guān)與控制電路，包括反饋電路都集成于同一芯片上，必須解決電氣隔離與熱絕緣的問題，這將是今后的一大研究課題。