正激式多电机用开关电源设计

吴学兴，郝佳琦，李瑞泽，代金峄

（哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

随着中国国内开关电源下游需求增长的拉动、开关电源制造成本的降低以及多方面政策的支持等，这些因素都利于开关电源行业的发展，前景可期[1]。与此同时，开关电源行业也将在新的时期呈现出新的趋势。随着电源产品逐渐向小型化、薄型化、轻量化、高频化方向发展，可以预计未来具有轻、薄、小以及高频开关电源产值增长将高于整个电源行业产值增长[2-4]。在这种巨大的竞争环境之下，越是能够实现低成本，集成度高，可靠性强就越能驱动市场优势[5]。本文介绍的开关电源选用合理的开关管，降低了在开关过程中的损耗，从而提高了效率。选用合理的电感既能保证良好的滤波效果，又能承受巨大的电流。输出端采用闭环控制的方式保证12 V的输出电压，该电路还具有过流保护的特点[6]。同时又能，满足对功率的需求。

1 开关电源的电路结构设计

1.1 设计需要

57步进电机采用TB6560芯片驱动，每个芯片需要3A的电流。42步进电机采用A4988芯片驱动，每个芯片需要2A的电流。加热头在变温期间电机不工作，恒温期间需要1A维持加热，热床在工作的时候需要4A左右的电流，因此系统需要按照市电220V输入，同时能够稳定的提供超过24V，16A的输出。若需要长时间按照此功率工作，则需要电源能达到20A以上。

1.2 拓扑结构的选择

双端正激也称为非对称桥，由两个功率管和与两个二极管组成电桥，但只有功率管可控导通，变压器单向磁化，没有桥式电路的桥臂直通问题，因此抗干扰能力更强。相对于反激式来说可以承受更大的功率，且输出变压器输出的电能利用率高。本系统采用正激式开光电源拓扑结构，采用UC3842控制型脉宽调制器芯片[7]，具有更稳定的电流输出，更好的瞬态特性，因而可以更好地给步进电机，加热芯，热床等提供足够的功率，保证其能稳定工作。

1.3 设计流程

正激式开关电源需要将220V的市电转化为直流，而开关之后具有较大的纹波，还需要滤波才能使用，同时需要在输出端加入限流保护，防雷击保护等，一个完整的电源设计流程如图1所示，接下来进行模块化分析。

图1 系统流程图Fig. 1 System flow chart

2 开关电源的模块化设计

2.1 输入整流滤波部分

市电经过高压线传输，大功率变换器进入实验室设备输入端时常常伴有较大的干扰。其表现为过压欠，尖峰等[8]，会对设备当中具有参考和反馈端的元件造成巨大的影响，同时还会产生微电流冲击影响设备输出负载的使用。为了防止在设备正常工作时，频率信号进入设备，影响设备工作，从而滤波电路应对高频的干扰信号有较大的阻碍作用，故采用双极串联式低通滤波电路[9]，如图2所示。

图2 输入端二级滤波电路Fig. 2 Input stage two stage filter circuit

C1，C3用来滤除串模干扰，采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01～0.47μF。C4，C5用来滤除共模干扰，选用陶瓷电容，容量范围是2200pF～0.1μF。输入端前串联一个压敏电阻R1与一个大电阻R2并联，用来保护电路，防止其被异常电网高压以及雷击等击穿。T3是一个扼流圈，用来抑制高速信号产生的电磁波向外辐射同时可以过滤前路的共模干扰。L1，L2是差模电感，由于系统要求电流较大，选取80uH以下才可以承受。整流桥将220V交流转换为300V直流，C6与L3构成LC滤波电路，输出端仍然可观察到锯齿波形，负载越大锯齿越平滑，其中负载为10和100欧姆的波形仿真图如图3所示。

图3 输入端二级滤波输出波形Fig. 3 Input stage two stage filter output waveform

当负载无穷大时输出近似为110V。C6将外界地线与系统地隔离，既能避免设备内部电路免受外界电磁干扰同时也能防止电源干扰其他设备。

2.2 正激式拓扑结构电路

2.2.1 变压器设计

一个输入，一个续流二极管作为反电动势保护电路。采用两组同极输出，其中输出端一连接输出负载，输出端二用作为控制型脉宽调制器芯片供电。

2.2.2 控制设计

控制型脉宽调制器芯片采用UC3842，UC3842是美国 Unitrode 公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，该芯片主要由5. 0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益误差放大器和适用于驱动功率 MOSFET 的大电流推挽输出电路等构成，可以工作在8～40V。市电通过变压器经整流滤波后可以得到35V左右的电压。芯片内部自带5V基准电压，通过RC电路控制震荡频率。其电路如图4所示。

2.2.3 输出电流反馈设计

图4 UC3842控制电路Fig. 4 UC3842 control circuit

下图是用电流互感器取样电路作为保护电路，其优点为功耗小，但成本高且电路较为复杂[10]，其工作原理简述如下：

输出电路电流越大，TR1次级线圈感应的电压就越高，当UC3842③脚超过1伏是，UC3842停止工作，使得Q1关断，电路的电流下降，当短路或过载消失时，TR1次级线圈感应的电压下降，UC3842恢复工作，电路恢复，周而复始。

图5 反馈电路Fig. 5 Feedback circuit

2.2.4 输出端限流保护

如图6的左图所示，当Uo有过压现象时，稳压管击穿导通，经光电耦合器（OT2）和限流电阻R6到地产生电流，使得光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1基极得到电压，Q1导通， U3842的①脚电压降低，使U3842停止工作，从而停止整个电源的工作，继而Uo为零，稳压二极管恢复，光电耦合器的发光二极管电流消失，使光电耦合器的光敏三极管关断，Q1基极电压消失，Q1关断，U3842的①脚电压恢复，电路恢复正常工作，周而复始。右图为其简化版，原理相同。

2.2.5 输出滤波器的设计

图6 过流保护电路Fig. 6 Overcurrent protection circuit

在开关电源中，由于变压器的漏感、电路板所布导线的引线电感等问题的存在，开关管在关断瞬间会产生很高的电压尖峰脉冲。整流快速恢复二极管由于存在存储效应，反向恢复过程中也会出现很高的反向恢复的碾压尖峰脉冲。为避免过电压尖峰脉冲危及功率器件的工作安全或者形成很强的电磁干扰噪声[11]。故输出滤波电路设计如图7所示：

图7 输出滤波电路Fig. 7 Output filter circuit

由电阻R1和电容C2串联构成缓冲电路，电压脉冲能量经电阻消耗后转移到电容器中储存，然后电容器的储能通过电阻消耗后返回电源，而且输出二极管两端产生的反向浪涌电压同时也受到限制，因此反向浪涌电流就会随之而减少，同时减少损耗和可能出现的振荡。

由于开关电源改变PWM占空比只能改变电压有效值不能改变电压的幅值，因此需要在缓冲电路后加上图中右侧部分，D7为续流二极管，L1为续流电感。C4，L2，C5构成Π型滤波器，当负载足够大时输出波形平滑，输出幅值为输入的平均值。

3 电路仿真验证

除了用Multisim进行仿真之外，我们还需要Saber进行仿真，在本例中，主要是高频功率变压器需要进行设置，如图8所示。

器件参数设置完成之后，开始准备对电路进行瞬态仿真，其仿真设置如图9所示。

设置参数后仿真的输出波形如图10所示。

图8 高频变压器参数设置Fig. 8 Parameter setting of high frequency transformer

图9 基本设置和输入设置Fig. 9 Basic settings and input settings

图10 输出端仿真波形Fig.10 Output simulation waveform

图中为输入直流电压为311V 时的输出电压波形，紫色曲线波形为主电压输出波形，绿色曲线波形为辅助电源输出波形。从图中可以看出，主电压输出稳定在23.935V左右与设定值（24V）相差-0.27%；电压波动的最高值在27.245V左右；输出电压从开始到稳定需要至少4.2ns。辅助电源电压稳定在23.591V左右与设定值（24V）相差-1.7%。

4 结论

本文对比分析基础上，设计了一款高效的大电流开关电源电路。其中包括防雷击，软开关控制器，过流保护等模块。这些模块的设计均通过了仿真工具的验证，性能达到预定的要求。为了输出稳定的电流，设计了反馈电路，当外部负载减小的时候，反馈的电流会增大。软开关控制芯片通过改变UC3842⑥脚输出占空比，减小功率开关管的导通时间，输出更少的能量，降低输出电流，同时有效降低了功耗。由UC3842作为核心组成的控制器电路可以广泛应用于各种稳定电源电路中，可以简化适配器和辅助电源的设计过程。

关于高频变压器和滤波储能电感的设计：开关电源最重要的无源器件就是磁性元件，它的性能直接影响着开关电源整体的性能。目前，磁性元件主要通过定制的方式得到。由于在现有的实验室条件下，无法对购买的磁性元件进行精确地测试，因此在电路设计中磁性元件的很多参数只能被忽略。所以实际效果也等待有人验证。在可见的未来随着半导体技术的发展，开关电源的效率将会越来越高，功率将会越来越大，向着小型高效大功率的方向发展。