基于第二代Vicor模块的开关电源数控调压设计

崔梦宇 吕托 孙晓慧 张雅琪

摘 要：根据某型号系统供电要求，以第二代Vicor模块为核心进行开关电源的数字化设计，实现了在现场无人值守的情况下，能够对开关电源进行远控调压操作。该样机产品已经经过了应力筛选试验和环境试验的考核，表明该设计具有良好的工作可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性、环境适应性和电磁兼容性。同时，证明了该开关电源的数控调压设计方案合理可行。

关键词：开关电源 数控调压 设计方案

中图分类号：TP17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0028-02

随着科技的不断发展，近年来，数字化理念在开关电源领域中得到了广泛的应用。许多电子设备要求开关电源输出电压可以自动设置。因此，这里提出了一种基于第二代Vicor模块，利用数字控制电路，实现输出电压可以调节的开关电源设计方案。最终达到了开关电源的输出电压可以通过数字控制进行自动设置。

1 基本设计方案及工作原理

本开关电源的设计方案采用模块化设计。模块化电源一般称为电源模块，有时简称模块。在当今科学技术高度发展的时代，电源的应用更加广泛，这也对电源的功能提出了更高的要求。因此，在进行电源设计时，都希望缩短开发周期，使产品变更参数时设计灵活，降低开发成本，减小电源体积，使其可靠性高，输出电压可调性好，便于冗余设计，具有优良的电磁兼容性等。电源模块由于优化了开关电源电路，采用先进的制造工艺，将复杂的开关电源浓缩成小体积的电源模块，适合了上述技术要求，因此得到广泛的应用。

Vicor公司在2000年前后，在VI-200和VI-J100的基础上，推出了新一代电源模块——MAXI、MINI和MICRO系列电源模块。

首先，在准谐振电路基础上，在共漏极主开关管实现了零电流ZCS和零电压ZVS软开关技术，进一步减少了损耗和噪声。其次，输入和输出分别采用主控MCU和输出控制MCU智能管理，并有变压器隔离，增加了控制功能和抗干扰能力。最高工作频率可以达到2MHz。

在工艺上，增加了器件的集成度，减少了元器件数量，减少了主要功率器件的热阻。总之在效率和功率密度上都有了较大的提高。

本开关电源的数字调压是基于以上VICOR模块进行设计的。总体数控调压开关电源的方案原理框图如图1所示。

输入整流滤波电路将输入交流220VAC电压整流滤波成为高压直流电，提供给功率转换电路和辅助电源电路；辅助电源电路为功率转换电路提供12V辅助电源；缓启动控制电路在电源开机时有效的控制输入端冲击电流，提高电源的工作可靠性；开机控制电路通过接收外部的模拟开机信号进行开关机控制；保护电路是当电源出现输出过压、输出过流、输出短路、输出过热等故障时，对电源起到保护作用的电路设计；信号处理电路主要功能是将开关电源的输出电压信号、输出电流信号、输出过压信号、输出过流信号、输出短路信号、输出过温度信号等通过以太网口上传给上一级系统，同时，上一级系统也可以通过以太网口对开关电源进行输出电压的设置。

本方案重点描述图1中数控调压电路部分。该部分电路设计主要包括信号处理电路设计、功率转换电路设计和以太网口设计等。

2 开关电源的数控调压设计及实现

针对上述开关电源设计的方案，介绍开关电源的数控调压电路设计过程包括数字调压电路设计（信号处理电路）、功率转换电路设计（基于VICOR模块设计）、调压接口电路设计（信号处理电路）、网络接口设计（以太网口）等。

2.1 数字调压电路设计

本开关电源的输出调压信号采用T1的12位D/A转换器TLV5638QD完成，具体对应关系为控制信号0～5V对应开关电源输出电压为0～50V，CPU和DA转换器之间依靠SPI通信总线来控制，最终通过运算放大器LM258构成跟随器将数字调压信号输出为VSET。具体电路图如图2所示。

2.2 功率转换电路设计

本电源的功率转换部分采用Vicor模块进行设计，本设计选用的Vicor模块型号为V300A36T500BL，额定输出电压为36V（本电源模块的输出电压范围为3.6～39.6V）。当该Vicor模块输出电压为额定输出时，SC管脚所对应的输出电压为1.23V。即1.23V对应36V的输出电压，根据3.1的数字调压设计电路可以按需设置所需要的输出电压。

2.3 调压接口电路设计

由于Vicor模块的输出端SC脚可以外接电压，从而达到调节输出电压的目的，调节Vicor模块的输出电压有两种输入，一种是采取运算放大器和数模转换器产生的电压；另一种是外加其他电压产生的输出电压。这两种外加电压的区别就是前一种电压调低输出电压的时候，并没有形成回路，因此需要一个接-S的电阻，形成一个电流回路，保证SC脚的电压在要求的数值。根据设计需要，本开关电源的数字调压接口电路按照第一种方式进行设计。具体的调压接口电路如图3所示。

根据设计的要求和实际测试可知，图3中的R1、C1、L1的取值如下。

R1：RJ24-0.25W-100Ω±1%；C1：CD263-10V-2.2uF±20%；L1：75μH。

2.4 网络接口设计

网络接口实现将开关电源的工作状态转化为数字量通过网络接口传递给上级系统并可以与上位机进行数据交互，实现软件的远端调压控制功能。上位机通过查询主、副网络接口任意一个IP地址，即可以系统的工作参数，其中一路故障后，另外一路还可以负责传递故障参数，网络接口采取主副通信模块冗余的控制设计方案，其中主、副网络接口分配为不同的IP地址，由于本设计是采用主、副通信模块冗余设计，分别有两个嵌入式CPU进行控制，不能实现双网卡绑定，只有同一个CPU控制下的两个网络控制器才能实现不同的接口绑定同一个IP地址，实现的方式是CPU侦测其中的一个网络接口，如果发现不能连接等故障后，自动切换到另外一个网络接口实现连接通信，绑定过程依靠软件侦测来实现。

网络通信过程中涉及查询参数和控制参数，其中查询参数包括每台电源的输出电压、输出电流、过压保护信号、过流保护信号；设置参数主要包括开关电源的电压输出控制参数等。

3 试验验证及结论

本开关电源的输出电压设置为30V，最大输出电流为30A。

根据本开关电源的设计方案进行样机的安装和调试。经过测试，得到的结果是数控调压开关电源的设计合理可靠，调压电压与设置输出电压成线性比例，调压电压经过信号传递至VICOR模块的SC端稳定可靠，满足VICOR模块的调压要求。

参考文献

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[4] 沙占友.開关电源设计入门[M].北京：中国电力出版社，2013.