蔣榮慰 方 敏 徐科軍

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

儀用超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關(guān)電源研制

蔣榮慰 方 敏 徐科軍

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

提出采用由升壓變換電路和反激變換電路組成的兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研制應(yīng)用于自動(dòng)化儀表的超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關(guān)電源，使自動(dòng)化儀表能夠自動(dòng)適應(yīng)85～265V交流和18～100V直流電源供電，以方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，減少儀器損壞。該電源模塊由輸入保護(hù)濾波電路、升壓變換電路、反激變換電路、輔助供電、控制電路和兩路PWM調(diào)制電路組成。通過合理選擇兩級(jí)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和切換點(diǎn)以及輔助供電的來源和切換方式，提高開關(guān)電源的效率、增大輸出功率。

電源 超寬輸入電壓范圍 AC/DC-DC 升壓變換電路 反激變換電路

電源模塊是自動(dòng)化儀表的重要組成部分，其作用是將外部提供的電源轉(zhuǎn)換成自動(dòng)化儀表工作所需要的直流電源。自動(dòng)化儀表應(yīng)用的場(chǎng)合非常廣泛，其外部電源可能是電網(wǎng)提供的220V交流電，也可能是現(xiàn)場(chǎng)提供的24V直流電。為了滿足應(yīng)用需要，自動(dòng)化儀表的電源模塊被設(shè)計(jì)成兩種形式，一種是將220V交流電轉(zhuǎn)換成儀表所用的直流電，另外一種是將24V直流電轉(zhuǎn)換成儀表所用的直流電。用戶需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合所提供的外部電源情況，來選擇不同的電源模塊。這樣做不僅給用戶使用帶來不便，更為嚴(yán)重的是，當(dāng)把具有直流轉(zhuǎn)直流電源的自動(dòng)化儀表的電源插頭插到220V交流電源上時(shí)，儀表就會(huì)損壞。這種情況在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)有發(fā)生。為此，一些國(guó)際公司在生產(chǎn)自動(dòng)化儀表時(shí)，就配置了能夠自動(dòng)適應(yīng)85～265V交流和18～100V直流電源供電的電源模塊,例如，Micro Motion公司生產(chǎn)的1700/2700型變送器。當(dāng)使用此類儀表時(shí)，就不需要區(qū)別現(xiàn)場(chǎng)提供的是220V交流電，還是24V直流電，非常方便和安全。但是，他們沒有披露電源模塊的具體技術(shù)細(xì)節(jié)。而國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化儀表中均沒有這樣的電源模塊。要研制出這樣一種AC/DC-DC電源存在的技術(shù)難題，主要是要自動(dòng)適應(yīng)85～265V交流和18～100V直流電源供電，輸入電壓范圍太大，造成電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件選擇困難等。

為此，筆者提出由兩級(jí)變換電路組成級(jí)聯(lián)電路的設(shè)計(jì)方案，研究?jī)杉?jí)電路合適的切換方式和切換點(diǎn)，研制寬范圍輸入電壓(工頻85～265V(AC)和18～100V(DC))和四路電壓輸出，將其應(yīng)用于科氏質(zhì)量流量計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)最低輸入電壓為18V(DC)、最高輸入電壓為265V(AC)，兩者相差較大，使用單級(jí)電路拓?fù)潆y以使電路得到優(yōu)化，必須采用由兩級(jí)或者多級(jí)電路拓?fù)浣M成的級(jí)聯(lián)電路。對(duì)于級(jí)聯(lián)電路，為了保證系統(tǒng)的可靠性和高效性，還需要考慮合適的切換方式和切換點(diǎn)[1]。

筆者采用兩級(jí)變換電路組成級(jí)聯(lián)電路拓?fù)涞姆椒?。第一?jí)電路采用升壓變換電路拓?fù)洌浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。第二級(jí)電路采用反激變換電路拓?fù)?，其所需元器件較少、調(diào)試方便，并且適合小功率且有多路輸出電壓的開關(guān)電源。

在兩級(jí)電路拓?fù)涞那袚Q方式下，采樣輸入電壓，根據(jù)采樣值判斷是否需要將升壓變換電路中的開關(guān)管一直關(guān)斷。如果需要升壓變換電路，其開關(guān)管正常工作；如果不需要，控制其開關(guān)管一直關(guān)斷，就控制了升壓變換電路不再起升壓作用，也就完成了兩級(jí)電路之間的可靠切換。由于升壓變換電路中開關(guān)管接在低端，控制方便，也方便兩級(jí)電路的切換。

在兩級(jí)電路拓?fù)淝袚Q點(diǎn)的選擇上，分析兩級(jí)電路的特點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算，選擇切換點(diǎn)電壓為60V(DC)。對(duì)于第一級(jí)升壓電路來說，其輸出電壓越接近輸入電壓，電路轉(zhuǎn)換效率就越高[2]。但是，對(duì)于第二級(jí)的反激變換電路來說，如果輸入電壓過低，將會(huì)導(dǎo)致變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)困難。并且，對(duì)于反激變換電路來說，為了防止磁芯飽和，設(shè)計(jì)電路最大占空比D要小于0.50，一般取0.45。反激變換電路占空比計(jì)算公式為：

其中，VIN為第二級(jí)變換電路輸入電壓，VO為輸出電壓，N為隔離變壓器原邊繞組NP與副邊繞組NS的匝數(shù)比。根據(jù)設(shè)計(jì)，選擇EFD2513磁芯，變壓器原邊繞組100匝，副邊24V輸出繞組50匝，則最小輸入電壓VIN為58.67V。結(jié)合實(shí)驗(yàn)，最終選擇60V作為最小輸入電壓，即切換點(diǎn)電壓。

使用此兩級(jí)電路組成的級(jí)聯(lián)電路解決了單級(jí)電路拓?fù)渲虚_關(guān)管或者變壓器難以優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題，使得控制電路輸出的PWM波的占空比變化也小很多。兩級(jí)電路之間進(jìn)行切換的方法是通過電壓檢測(cè)比較電路控制升壓變換電路中的PWM調(diào)制電路，使其處于正常工作狀態(tài)或者鎖存狀態(tài)，這樣避免了使用繼電器切換[3]或者切斷控制芯片電源等方法實(shí)現(xiàn)電路切換所帶來的問題。兩級(jí)電路之間的切換點(diǎn)電壓是60V，這樣可以使系統(tǒng)效率最高。

1.2控制方法

為了保證該超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關(guān)電源穩(wěn)定、快速和可靠工作，采用雙閉環(huán)控制，也就是電流模式控制方式。雙閉環(huán)控制中的外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過引入開關(guān)管電流構(gòu)建內(nèi)反饋環(huán)，能更快地反映輸入電壓的波動(dòng)，從而迅速地調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)快速進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。輸出電壓經(jīng)過電壓檢測(cè)后得到電壓反饋量，然后與參考電壓形成偏差，經(jīng)電壓誤差放大后產(chǎn)生電流參考量，其中，電壓調(diào)節(jié)采用PID調(diào)節(jié)方式。流過開關(guān)管的電流經(jīng)過電流檢測(cè)后得到電流反饋量，然后經(jīng)過電流檢測(cè)比較，再通過脈寬調(diào)制輸出占空比可調(diào)的PWM波。該P(yáng)WM波驅(qū)動(dòng)升壓變換電路和反激變換電路中的開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)電源模塊輸出電壓的精確控制[4]。電源控制原理框圖如圖1所示。

圖1 電源控制框圖

2 硬件研制

2.1硬件原理框圖

該超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關(guān)電源的硬件原理框圖如圖2所示。主要由輸入保護(hù)電路、EMI濾波電路、工頻整流濾波電路、高頻整流濾波電路、升壓變換電路、反激變換電路、電壓電流采樣電路、PWM調(diào)制電路、輔助供電電源電路、電源切換電路、電壓檢測(cè)比較控制電路和光耦隔離電路組成。其中，輸入保護(hù)電路用來防止短路引起電流過大以及發(fā)生雷擊等情況導(dǎo)致的電壓過沖。EMI濾波電路主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲和雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。整流濾波電路一方面用來將方向和大小都變化的交流電變換為方向不變但大小仍有脈動(dòng)的直流電，并將交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電；另一方面用來防止輸入電壓為直流電時(shí)正負(fù)端電壓出現(xiàn)反接的情況[5]。電壓檢測(cè)比較控制電路用來檢測(cè)輸入電壓并根據(jù)檢測(cè)值大小來切換第一級(jí)電路。輔助供電電源電路用來給在電路上電瞬間的系統(tǒng)中的有源芯片供電。升壓變換電路用來將輸入的低電壓升壓到第二級(jí)電路的工作電壓。反激變換電路作為第二級(jí)電路，用來給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，并將輸出電壓和輸入電壓進(jìn)行電氣隔離。電壓電流采樣電路將采樣電壓和電流一并送入PWM調(diào)制電路，然后由PWM調(diào)制電路輸出占空比不同的PWM波，控制兩級(jí)電路的開關(guān)管。

圖2 硬件原理框圖

當(dāng)輸入電壓為18～60V(DC)時(shí)，在理想情況下，通過整流濾波等電路后輸出電壓仍為該范圍電壓。這時(shí)，采樣電路采樣的電壓值低于電壓檢測(cè)比較電路中設(shè)定的切換值，切換電路不動(dòng)作，第一級(jí)升壓變換電路選通，將此范圍輸入電壓都升壓到60V(DC)。該60V電壓再經(jīng)過第二級(jí)反激變換電路得到4路輸出電壓。

當(dāng)輸入電壓為60～100V(DC)或者85～265V(AC)時(shí)，經(jīng)過整流濾波等電路后得到60～370V(DC)。這時(shí)，采樣電路采樣的電壓值高于電壓檢測(cè)比較電路中設(shè)定的切換值，切換電路動(dòng)作。這時(shí)，第一級(jí)升壓變換電路不工作，即升壓變換電路中的PWM調(diào)制電路沒有PWM波輸出，升壓變換電路中的開關(guān)管一直處于關(guān)斷狀態(tài)。則此范圍輸入電壓直接通過第二級(jí)反激變換電路得到4路輸出電壓。

2.2控制電路

對(duì)于電壓外環(huán)PID調(diào)節(jié)，其硬件電路原理如圖3所示。電阻R1和R2采樣輸出電壓VO，電阻R3與R1的比值決定P調(diào)節(jié)的參數(shù)，電容C1決定I調(diào)節(jié)的參數(shù)，電容C2決定D調(diào)節(jié)的參數(shù)。如果電阻、電容參數(shù)選擇不合適就會(huì)導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生振蕩而發(fā)出響聲。在調(diào)試過程中，P調(diào)節(jié)的參數(shù)選擇在5～10左右，電容C1容值小于0.10μF，電容C2的值小于0.01μF。選擇合適的R3、C1和C2值，保證在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，負(fù)載從10%～100%變化過程中，輸出電壓穩(wěn)定，儀表正常工作，變壓器沒有響聲。

圖3 PID調(diào)節(jié)電路原理

2.3切換電路

該電源模塊包括兩個(gè)切換電路(圖4)，一個(gè)是輔助供電電源切換電路，另一個(gè)是兩級(jí)電路拓?fù)渲g的切換電路。

圖4 切換電路原理

在輔助供電電源切換電路中，輔助供電電源電路原理與常用的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)相同，其輸入電壓范圍可以滿足該電源輸入范圍要求，并且可以通過外接Q2來擴(kuò)大其輸出電流。設(shè)定電阻R4和R5的比值可以得到有源芯片的工作電壓VCC，該電壓維持電路啟動(dòng)。由于LDO效率較低，不能長(zhǎng)時(shí)間供電，當(dāng)電路完成啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定后，由第二級(jí)反激變換電路變壓器的輔助繞組產(chǎn)生電壓VCC1加到二極管D1的陽極，當(dāng)VCC1>VCC+1時(shí)，輔助供電電源電路中的U2自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，電路中的有源芯片都通過VCC1來供電，這樣也就完成了輔助供電電源切換過程。

在兩級(jí)電路拓?fù)淝袚Q電路中，電阻R6和R7采樣整流濾波后的輸入電壓，并將采樣值送入比較器U3A。當(dāng)采樣值大于U3A的參考電壓Vref時(shí)，比較器輸出高電平，三極管Q3導(dǎo)通，Q3的集電極被拉低到低電平，從而控制升壓變換電路中的控制芯片處于鎖存狀態(tài)，也就控制了升壓變換電路中的開關(guān)管一直關(guān)斷，這樣就完成了兩級(jí)電路之間的切換。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了評(píng)價(jià)所研制電源的性能指標(biāo)，對(duì)電源進(jìn)行了基本性能測(cè)試[6]。為了考核研制電源的實(shí)用性，將電源應(yīng)用于科氏質(zhì)量流量計(jì)，與國(guó)外儀表進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，還進(jìn)行了溫度實(shí)驗(yàn)。

3.1基本性能測(cè)試

基本性能測(cè)試包括測(cè)試電源輸出電壓準(zhǔn)確度、電壓調(diào)整率和效率、負(fù)載調(diào)整率、輸出電壓紋波和效率，測(cè)試結(jié)果見表1。由表1可知，在24V(DC)和220V(AC)輸入電壓下，所研制電源的各項(xiàng)基本性能指標(biāo)均達(dá)到了一般開關(guān)電源的要求。

表1 電源模塊性能測(cè)試結(jié)果

3.2實(shí)用性考核

3.2.1對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將研制的電源接入科氏質(zhì)量流量變送器中，與美國(guó)Micro Motion公司的1700/2700型科氏質(zhì)量流量變送器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，兩種變送器均接同一臺(tái)傳感器進(jìn)行工作。這樣對(duì)電源來說，負(fù)載基本相同。

主要測(cè)試電源的瞬態(tài)性能。在上電瞬間，由于電源模塊中電解電容和負(fù)載中電容相當(dāng)于短路，電源模塊需要外部電源提供較大的啟動(dòng)電流[7]。為此，分別測(cè)試在外部24V直流電源供電和220V交流電源供電的情況下，研制電源和美國(guó)Micro Motion公司科氏質(zhì)量流量變送器電源的啟動(dòng)電流大小。在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)電路，使接入所研制電源的變送器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)傳感器信號(hào)幅值與Micro Motion公司變送器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值相同。用電流鉗測(cè)量外部電源提供的電流，用示波器記錄下來，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 電源啟動(dòng)電流測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，在24V(DC)輸入時(shí)，兩個(gè)電源的啟動(dòng)電流相當(dāng)；在220V(AC)輸入時(shí)，筆者研制電源的啟動(dòng)電流比Micro Motion公司的1700/2700型變送器的電源啟動(dòng)電流小。較小的啟動(dòng)電流可以帶來兩個(gè)好處，一個(gè)是對(duì)外部供電電源功率需求小，另一個(gè)是防止浪涌電流對(duì)電源的影響。

3.2.2溫度實(shí)驗(yàn)

研制電源將為科氏質(zhì)量流量計(jì)供電，而科氏質(zhì)量流量計(jì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，常常面臨著各種高溫條件的考驗(yàn)，因此，對(duì)研制電源進(jìn)行高溫測(cè)試[8]。根據(jù)科氏質(zhì)量流量計(jì)在各種流量下的實(shí)際工作電流，用功率電阻來模擬電源的負(fù)載。由于變送器的信號(hào)處理板中還含有DSP及線性穩(wěn)壓器等發(fā)熱器件，流量計(jì)在工作時(shí)，整個(gè)變送器系統(tǒng)溫度還會(huì)升高，用科氏質(zhì)量流量變送器作為研制電源的負(fù)載，進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。設(shè)定溫箱溫度為55℃，保溫時(shí)間為4h。用接觸式溫度表檢測(cè)儀表殼內(nèi)溫度，時(shí)刻觀察DSP工作指示燈情況以判斷DSP是否正常工作，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 電源模塊溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)表明，在55℃高溫下，筆者研制的電源仍然能正常工作；用作科氏質(zhì)量流量計(jì)電源時(shí)，整個(gè)變送器溫度均在芯片正常工作溫度范圍內(nèi)，變送器能夠正常工作。

4 結(jié)束語

筆者研制的超寬輸入電壓范圍的AC/DC-DC開關(guān)電源，解決了國(guó)內(nèi)自動(dòng)化儀表沒有寬范圍輸入開關(guān)電源的難題。設(shè)計(jì)了由升壓變換電路和反激變換電路組成的兩級(jí)式級(jí)聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇兩級(jí)電路之間的切換點(diǎn)電壓為60V(DC)，并通過控制升壓變換電路的工作與否，使電源能夠在兩級(jí)電路之間進(jìn)行安全可靠的切換，符合更寬范圍的輸入電壓要求。還設(shè)計(jì)了超寬輸入電源的輔助供電電源電路和切換電路，在電路未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由輔助供電電源電路供電；當(dāng)電路工作穩(wěn)定后，通過電源供電切換電路將輔助供電電源切換掉，從而解決了啟動(dòng)芯片和啟動(dòng)電阻一直消耗功率的問題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源的輸出電壓準(zhǔn)確度小于1%，輸出電壓紋波小于1%，電壓調(diào)整率小于1%，負(fù)載調(diào)整率小于1%，額定負(fù)載下的效率在70%以上，啟動(dòng)電流與國(guó)外儀用電源相當(dāng)，溫度性能優(yōu)越。

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DevelopmentofAC/DC-DCSwitched-modePowerSupplywithSuper-wideInputVoltageRangeforProcessInstrument

JIANG Rong-wei, FANG Min, XU Ke-jun

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

A two-stage cascaded circuit topology which consisting of boost converter and flyback converter circuits was proposed and applied to develop AC/DC-DC switched-mode power supply with super-wide input voltage range for the process instrument so as to adapt the process instrument to 85～265V AC and 18～100V DC power supply and to facilitate their on-site application against any damage. This AC/DC-DC switched-mode power supply consists of an input protection and filter circuit, a boost converter circuit, a flyback converter cir-

TH862

A

1000-3932(2016)01-0062-06

2015-02-05