|
|
|
高中低压多路输出的开关电源设计与实践
|
|
The Design and Implementation of Multiway output
Switching Power Supply at H/M/L Voltage
|
|
■信息产业部电子第二十研究所 程强 黄选才
|
高中低压多路输出开关电源设计中，既要考虑满足技术指标要求，又要考虑设计和生产成本。本文着重阐述了该电源的组合设计思想与具体实践中要解决的关键技术问题。
高中低压多路输出的开关电源技术及要求
1.输入AC220V 10%，50Hz 1Hz；或DC12V 2V
2. 输出1 +2KV～+5KV/1mA（可调）
输出2 +500V/10mA
输出3 +495V/10mA
输出4 +100V/10mA
输出5 +90V/10mA
输出6 -30V/10.1A
输出7 -25V/0.1A
输出8 +15V/0.1A
输出9 +10V/0.1A
输出10 +5V/0.5A
输出11 +5V/0.2A
3.稳定度优于1%
4.纹波峰值，低压优于100mVp 50mVp；中压优于1000mVp 50mVp
5.体积优于200（W） 300（L） 100（H）mm3
6.重量不大于2kg
7.环境工作温度-10℃～+45℃
8. MTBF大于20000小时
技术指标分析与设计考虑
1.交直流输入供电电路的设计
为了满足交直流输入供电要求，设计中就要考虑将AC220V输入变成直流12V，与直流输入适配。如果用线性稳压技术实现AC/DC转换，就少不了笨重的工频变压器，满足不了技术指标中对重量的要求；如果采用AC/DC开关模块，即可省去工频变压器，电路也相对简单，成本相当。本方案中就选用PH75S280-12模块作为AC/DC转换，交直流输入供电电路如图1。
2.可调高压输出电路设计考虑：
2kV～5kV可调高压电路的设计，当输入电压12V时，如果采用高压电源通用设计方案来实现，其电路比较复杂，既不符合设计成本要求，也不符合体积重量要求。本设计方案直接采用计算机显示器或12寸黑白电视机高压电路，既简单，又成熟而且容易实现。但要解决方波信号产生和高压可调的技术问题。关于方波信号产生，本设计方案采用555时基电路接成占空比小于50%的电路来产生，其工作频率控制在15kHz～20kHz，占空比大小可用电位器来调节，也可用脉宽调制器接成固定脉宽产生方波。关于高压可调技术问题可通过调节脉冲功率放大级的供电电压高低进行调整，也可通过调节脉冲功率放大器基极激励电流大小来调整高压输出，本设计方案就采用调节基极激励电流来实现输出可调。另一种方案，也可通过一个脉宽调制集成电路调节输出脉冲宽度来实现，但电路相对复杂，调整也有一定难度。本设计方案高压电路框图如图2。
3.中低压输出电路设计方案
本电源要求输出+500V、+495V、+100V和+90V四路中压电源，其中输出功率最大的是+500V，一路为5W。低压输出有8路，输出功率均小于5W。如果中低压输出电源均采用DC/DC模块方案，显然成本偏高，也很难买到低电压输入，中电压输出的小功率DC/DC模块。为此，本电源设计方案采用推挽式脉宽调制变换电路，从+500V取样反馈，取得全部中低压12路输出电源，方案简单合理，成本较低。如框图3所示。
由于本方案中输入电压为12V，主回路设计中采用MOS功率管推挽变换电路比较合适，控制电路采用TL494脉宽调制器。其取样端的选取，宜选输出功率较大的一路，以保证其它各路满功率输出。同时保证了+500V输出电压的稳定度要求。为了要得到+495V输出电压，采用－5V三端稳压器与+500V叠加技术，减少变压器绕组匝数，如图4+495V原理图所示。
+100V和+90V二路中压电源合并成一路电源，减少了变压器一个绕组；用简单的线性稳压取得+100V；+90V由+100V经二次线性稳压取得。如图5所示。本方案中100V和90V稳压管精度决定了输出电压稳定度，所以要选择电压稳定度较好的稳压管，以保证+100V和+90V输出稳压精度。其它8路低压输出电源，为了保证其输出电压的稳定度，均采用三端稳压器稳压输出，具体电路如图6所示。
中低压多路输出开关电源设计方案简单，成本低廉，又能较好地满足设计技术指标及要求。而要解决的关键技术之一，高频功率变压器设计与绕制，因为该变压器次级绕组太多，设计不好会影响电路的正常工作。第二，+500V输出反馈到脉宽调制器采样端，其印制电路线与地线，其它印制线间，保证有足够的间距，必须保证大于10mm，否则可能引起爬电，造成输出电压不稳定，增加功率开关管损耗或者损坏功率开关管。一个简单的办法，可在印制板的反面直接用外皮耐压大于1000V的绝缘导线连接采样端，减少了印制板布线的困难。
高频功率变压器设计与绕制方法
1. 磁芯的选择
本电源输出的功率不大，但因次级绕组太多，需要磁芯有足够的窗宽，以保证绕制的线包比较容易地装入磁芯，故选用R2kB EC41磁芯。
2.初次级匝数确定
R2kBEC41磁芯，取Bm=1500GS，SC=1.13cm2，TON=18 s；E1=10V。
初级：
N_{P}={E_{i}T_{ON}}\over{2S_{C}B_{m}} 10^{8}={10 36 10^{-6}}\over{2
1500 1.13} 10^{8}=10.6匝
取10匝。
次级：
N_{S}={E_{2}}\over{ E_{i}} N_{P}={E_{O}}\over{E_{i}}N_{P}={U_{O}+U_{D}+U_{L}+U_{P}}\over{
E_{i}} N_{P}
其中， ={2T_{ON}}\over{T}；
U0-输出直流电压；
UD-整流桥正向压降；
UL-阻流卷电压降；
Up-三端器件或功率调整管压降。
次级1 +500V输出
N_{1}=(500V+2V+1V) {36}\over{50} {1}\over{10} 10≈698匝
取700匝。
次级2 +100V输出
N_{2}=(100V+2V+1V+10V) {36}\over{50} {1}\over{10} 10≈157匝
次级3 －30V输出
N_{3}=(30V+2V+1V+7V) {36}\over{50} {1}\over{10} 10≈56匝
次级4 15V输出
N_{4}=(15V+2V+1V+3V) {36}\over{50} {1}\over{10} 10≈29匝
次级5 +10V输出
N_{3}=(10V+2V+1V+7V) {36}\over{50} {1}\over{10} 10≈22匝
次级6 +5V输出
N_{6}=(5V+2V+1V+3V) {36}\over{50} {1}\over{10} 10≈15匝
以上是绕组的基本匝数的计算。但绕组数还要增加-5V，+5V及-30V三个绕组。
3.绕制方法
●为减小漏感影响，最里层绕制－5V绕组，+500V绕组，后绕初级绕组，再绕次级绕组。绝缘宜用厚度0.03聚脂薄膜，初次级之间用5层，次级与次级用2层，保证有较好的绝缘强度。
●绕制初级绕组时，用双线并绕，保证中心抽头完全对称，以改善功率级波形，减少损耗，提高效率。
●漆包线宜用高强度QQ型漆包线，电流密度取5A/mm2，考虑到容易绕制，在窗宽允许的情况下，尽量选用直径较粗的漆包线。
结束语
高中低压多路直流稳压电源设计方案，经实际制作的样机指标测试，均能达到预期效果。尤其成本低廉，用户特别满意。本设计方案对高中低压多路直流稳压电源来说，也许不是最好的方案，仅仅是供从事电源技术工作者在设计中一个启迪而已。
|
|
