多路输出隔离特种电源设计

胡卫鹏 何海龙 贾高松

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

全数字化交流伺服系统是雷达转台驱动控制的重要发展趋势，以DSP为核心的数字处理电路是交流伺服的基础，在交流伺服系统内部集成多路输出隔离电源可以提高系统的安全性和稳定性。高频开关电源与普通线性稳压电源相比其优点为效率高、体积小、重量轻、成本低。而新型集成高频开关电源与传统的高频开关电源相比不仅简化了电路，同时改善了电源的电磁兼容性能，输出电压稳定，纹波小。

2 电源需求分析

交流伺服系统内部的控制板输入电压为24V。以DSP为核心的数字电路需要+5V供电;以电流、电压滤波和采集等模拟电路需要±15V供电;通信接口的隔离+5V供电。根据驱动器供电性能的具体要求并保证每路供电留有足够余量，设计伺服系统内部电源参数见表1。

另:效率≥80%，体积不大于95×65×35mm3，隔离电压 U≥2500Vrms。

表1 电源输出电气参数

3 电源环路设计

3.1 电路拓扑选择

电源采用负反馈控制回路来稳定输出电压(图1)。各路输出电压之间的比例关系是通过变压器绕组之间的匝数比来决定的，当主路输出电压变化时，信号反馈到PWM控制单元，调节PWM的占空比来控制MOS管的通断，进而控制了变压器的输入电压，使输出稳定。考虑到输入电压会有共模和差模干扰，在电压输入前端设计滤波电路，变压器绕组的输出须经过整流滤波电路。

图1 电源设计框图

控制芯片选用美国功率集成公司的DPA－Switch新型智能高频开关电源集成芯片。该芯片将自启动电路、功率开关MOS管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起，简化了开关电源的设计和开发，外围电路简单、体积轻、重量小，温度范围宽(－40°C～125°C)。

DPA－Switch系列构成的电路原理图如图2所示。其中S端和D端是DPA内部MOSFET的源极和漏极端，F引脚可选择开关频率为400kHz或300kHz。X引脚的下拉电阻可以限制内部驱动电流，防止输出的过电流;L引脚的上拉电阻可以设定是欠压/过压门限制，C是反馈控制端。

图2 DPA－Switch典型应用电路

开关电源常用的电路拓扑形式为正激式变换电路和反激式变换电路。正激式变换电路需有磁复位电路防止磁饱和，产生功率较大，体积较大。反激式变换电路产生功率较小，设计较复杂，但电路简单，体积较小。考虑到体积的限制，选用反激式变换拓扑。DPA－Switch系列有四种型号，其中DPA426输出功率最大，在16V～32V输入电压的反激式变换电路中可达为32W，能满足电源功率要求，故选用DPA426。

3.2 变压器

3.2.1 变压器材料及规格

开关电源的输出电压是由高频变压器多个二次绕组经整流滤波后获得，因此开关电源的性能在很大程度上取决于变压器的设计。高频变压器的磁芯选用铁氧体材料PC40，它具有高饱和磁通密度、高磁导率、高性价比的优点。

反激式变换电路的变压器主要承担储能的作用，所以特别关注原边电感量这个重要参数。查阅磁芯结构和磁芯骨架的资料，为了方便磁芯的采购和变压器绕制，选用EE型变压器。由于电源多路输出所需变压器骨架的管腿较多，采用了EE28的变压器磁芯和骨架。

3.2.2 磁芯插入气隙的大小

变压器有气隙时，导磁能力降低，导致每匝的电感量减小，绕组总电感值减小，但气隙的存在可以减少磁芯里直流成分所产生的磁通。实际设计工作是通过气隙大小调整来避免磁饱和。可用下式计算气隙。

式中:lg为气隙长度(mm)，μ为4π ×10－7，Np为原边匝数，Lp为原边电感(mH)，Ae为磁芯面积(mm2)。

3.2.3 绕线方式及线径的选择

变压器采用漆包线绕制，即初级绕组的层与层之间及初级和偏置绕组之间都采用挡墙绕制结构来加强绝缘强度(三层胶带)。变压器的绕制结构如图3(每个线圈输出电压、匝数及线径见图3)。

图3 变压器绕制结构

3.3 电路输入部分

由于存在变压器漏感和线路电感，二极管存储电容和分布电容，开通和关断过程中，容易在开关管漏源两端和二极管上产生尖峰电压。高频变压器的初级必须设置保护电路，确保DPA－Switch不被损坏。根据PI公司的资料推荐，为保证浪涌电压的幅度限制在一定的幅度(200 V)，在电源功率小于20W时，用TVS(瞬变电压抑制二极管，也称做齐纳二极管)将浪涌能量泄放掉，当电源功率在20W～50W之间时，要用RCD钳位电路(如图4)。

3.4 反馈控制电路设计

变压器每一路输出都采用肖特基二极管整流，来减少系统功率损耗。整流后再采用π型滤波电路来减小纹波。反馈基准电压用TL431产生，反馈回路的主输出通路的误差值输入到光耦隔离芯片MOC8106后，由辅组绕组的电流产生。反馈通路的相位补偿电路可以对系统起到相位校正的作用。反馈控制电路如图4所示。

图4 反馈控制电路图

4 实验和结果分析

调试中的电源板如图5。在额定输入范围16V～32V内，电源能稳定工作，输出电压变化范围小于0.2V;当输入电压值超过额定输入范围时，电源会自动保护重启。从示波器(图6)看出，纹波测试纹波为50mV左右，纹波很小，能完全满足交流伺服系统的供电要求。

电源连续24小时加电工作正常，电源呈现出良好的稳定特性，电源效率为82%。

多路输出隔离电源不仅能完全满足交流伺服系统内部供电的要求，还具有单片集成化、外围电路简单、成本低、实现了电气隔离等优点。此外，此特种电源的设计还可以不断深入，提高系统的集成化，并应用于其它开关电源的设计。

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