开关式交流稳压电源的设计

中心议题：

• 开关式交流稳压电路组成及工作原理
• 开关式交流稳压电路设计分析

解决方案：

• 可控正弦波产生电路
• 脉冲宽度调制器
• 高速电子开关
• 专用微处理器

目前，空间技术、计算机、通信、雷达及家电中的电源逐渐被开关电源所取代。现在一般应用的串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统的串联稳压器、调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差，效率低，一般只有35％～60％。由于调整管要损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管，并装有体积很大的散热器。而开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可达70％～95％，稳压器的体积小，重量轻，调整管的功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十kHz，可用数值较小的滤波电感、电容元件，故可以大大提高允许的环境温度。

l电路组成及工作原理

开关式交流稳压电源电路框图如图1所示。工作原理描述：由三角波发生电路产生150kHz的三角波，由低频正弦波产生电路产生50Hz的正弦波。两个信号分别同时送到比较器的同相和反相输入端，在比较器的输出端将产生矩形波。该矩形波的频率与150kHz的三角波相同，该矩形波的脉冲宽度受50Hz正弦波实时幅度的调制后，随50Hz正弦波实时幅度而变化，即已调制矩形波。将其送到高速电子开关中一个输入端，并经过一级反向器反向，送到高速电子开关的另外一个输入端。


 

市电整流滤波获得的1.414倍于输入交流电压(典型值约为311V)的直流高电压送到高速电子开关的电源输入端。高速电子开关的两个输出端由两个反向的输入矩形波驱动，从约311V直流电源取得能量后，分别经过一级短时间常数的LC滤波电路连接到高频开关变压器的初级。该LC滤波电路的作用是使进入高频开关变压器初级的矩形波脉冲拐角趋于圆滑，以降低其高频谐波。高频开关变压器的初、次级还起到对市电隔离的作用，高频开关变压器的次级获得交变、拐角圆滑的矩形波电压，经过多级长时间常数的LC滤波电路，将150kHz高频信号滤除，还原出50Hz正弦波的调制信号。送到负载用于对负载供电。

电压和电流取样电路从负载上获取电压和电流信号，分别送两路A／D转换器转换，变成离散的数字信号。一方面用于通过微处理器处理后进行实时显示；另一方面用于通过微处理器处理后送D／A转换器变换为模拟量，经过光电隔离驱动电路来控制正弦波发生器的幅值，又经过比较器、反向器、高速电子开关、LC滤波、高频开关变压器、多级LC滤波等电路，用于控制负载上电压或电流的稳定。电压互感器的作用是从市电中获得低谐波失真的标准正弦波，经由正弦波产生电路控制其幅值；键盘用于输入准备向负载提供的电压或电流值。

2电路设计分析

2．1可控正弦波产生电路

可控正弦波产生电路的电路图如图2所示。


 

正弦波的来源采用直接从市电的220V／50Hz的正弦波，利用电压互感器变换成较低电压的50Hz正弦波(例如5V)。该正弦波的谐波失真度取决于市电的谐波失真度和互感器的参数，其输出幅度由D／A转换器控制光电耦合器驱动电路实现，D／A转换器输出信号控制光电耦合器导通程度，与分压电阻分压后产生交流和直流叠加的电压，经电容隔离直流分量，仅保留交流分量送运算放大器进行若干倍的放大，产生随D／A信号幅度大小而控制的纯净交流信号量。

D／A控制信号产生的原则是：根据输出到负载上的电压或电流配合市电的电压幅度大小进行综合运算，由微处理器向D／A转换器提供通过综合运算的数字量，使得提供给负载的输出电压(或电流)趋于稳定。
 

2．2脉冲宽度调制器

PWM产生电路由正弦波产生电路、三角波产生电路和比较器三个部分组成。三角波加到比较器的反向输入端，正弦波加到比较器的同向输入端，比较器输出端产生受正弦波瞬时幅度而变化的脉冲宽度调制波。

图3是电压型PWM比较器的工作波形，输入三角波接在比较器的反向输入端，可控正弦波信号送至比较器的同相输入端，经放大后输出PWM信号。


 

2．3高速电子开关

高速电子开关电路用于实现将PWM波功率放大，配合高频电子变压器和滤波电路，可实现对输入信号为受某信号参数调制的矩形波，输出信号为还原出该参数的解调电路。其典型电路图如图4所示，是PWM经反相器出来的波形。整个电路由4个场效应管构成的桥式开关电路、高频开关变压器、多组LC滤波电路(图中只画出一组L3，C3)组成。


高频开关变压器Tr还兼起市电隔离的作用。电路中，L1，C1和L2，C2组成滤波电路，用以使输入到高频开关变压器初级的矩形波拐角变成“缓变”形状，以使流经变压器的谐波分量减小，降低干扰。

经过高频开关变压器次级感应到的电压通过L3，C3(实际为多级LC，如三级)的进一步滤波可以将PWM的高频矩形波滤除，在负载上得到被还原的原调制波的正弦波形。如图5所示。


图5中还原出来的调制波实际上是有一定程度的锯齿波成分，如果用数字存储示波器存储波形，然后局部放大观测可发现，如图5中显示了局部放大后的锯齿形状，其锯齿程度反映了信号的失真度，与多级LC滤波器的性能参数有关。

 

2．4微处理器

微处理器部分用于实现系统装置的智能化，微处理器部分包括微处理器芯片、键盘、LCD显示器、A／D和D／A转换器，且适合于控制的微处理器芯片往往采用单片机，而单片机基本上都包含有I／O接口电路、ROM，RAM、定时器和中断系统，因此这些部件基本上都不需要扩展。

软件部分的设计包括A／D转换器、D／A转换器、LCD显示器、键盘系统等功能的子程序，还包含系统监控程序和各种中断服务程序等，其系统监控程序流程图如图6所示。


 

在此介绍的开关式交流稳压电源是一种较为先进的交流电源设计方案。随着时代的快速发展，开关电源的集成化与小型化正在变为现实，目前正在研制开发开关与控制电路集成于同一芯片的集成模块。然而，把功率开关与控制电路，包括反馈电路都集成于同一芯片上，必须解决电气隔离与热绝缘的问题，这将是今后的一大研究课题。