智慧路灯控制系统的AC-DC电源设计

陈 星，周 峰，许子航，刘朔源

（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127）

0 引 言

近年来，城市智慧路灯被大范围地推广使用，它已经成为重要的物联网信息采集来源，是智慧城市的一个重要组成部分和重要建设入口。控制系统的供电电源作为智慧路灯设计的核心部分，目前仍存在效率低、防雷等级低、寿命短及可靠性差等问题。

本文针对上述问题，设计了一种抗EMI的AC-DC开关电源，电源输入为220 V/50 Hz工频交流电，输出一路直流15 V和一路直流5 V。输出电压5 V通过光耦TLP185和稳压芯片TLV431进行直接反馈，实现稳压输出。15 V输出电压的稳压控制是通过变压器次级线圈的匝比调节控制。

1 电源系统设计

本设计主电路采用的是单端反击拓扑结构。对于220 V-AC输入，通过EMI滤波器增强抗电磁干扰能力，再通过全桥整流变成直流输入，两路输出分别为15 V/1 A和5 V/2 A。相比传统开关电源设计，本文采用了TopSwitch-HX交流/直流转换控制芯片TOP253PN，把高压功率MOSFET、PWM控制器集成到单个CMOS芯片中。为了消除变压器漏感引起的变压器原边尖峰电压，电源设计时在变压器原边端并联了由电阻、电容和二极管组成的RCD吸收电路。主电路如图1所示。

图1 主电路

为了提升电源的电磁抗干扰性能，有效滤除电源输入端的高次谐波电压和同相干扰电流，在电源的输入端进行了EMI电路设计。组成电源EMI滤波器的核心元件为：共模电感、X和Y电容。具体电路如图2所示。

图2 EMI滤波电路

输出稳压反馈控制电路由光耦TLP185GR和TLV431A等元件组成。变压器的其中一路次级绕组的输出电压经过二极管D8和电容C32整流滤波后提供偏置电压，电压给到光耦副边的接收管， 通过线性光耦为芯片TOP253PN的控制引脚2脚提供外部控制电流。

稳压器TLV431A提供2.5 V电压基准源，采样其中一路的5 V输出电压，通过电阻和串联分压，与基准电压2.5 V比较，将电压误差通过光耦TLP185GR传送给TOP253PN的控制引脚2脚，产生占空比控制MOS管的通断，可实现高精度输出稳压控制。电路如图3所示。

图3 控制电路

2 电路参数设计

2.1 电压控制回路参数设计

电源中的输出电压反馈控制部分是由电源控制芯片TOP253PN、稳压器TLV431A和光耦TLP185GR等主要器件组成。根据器件手册可知，TLV431A作为电压基准源，提供=2.5 V的参考电压和=0.15 μA的参考端电流。为了可靠运行，稳压器通常利用串入限流电阻，使得实际电流在参考电流100倍以上，由此根据公式（1），将取值10 kΩ。

根据串联电阻分压原理，本设计中利用TLV431A作为基准电压源提供2.5 V电压，结合电阻和电阻分压特性可得式（2），取值为10 kΩ。

由TLV431A数据手册可知，器件正常工作电流必须要达到0.1 mA，因此有：

根据光电耦合器TLP185GR的数据手册可知，该款光耦的电流传输比CTR为80%～160%，导通压降为1.2 V，正向导通电流为5 mA，故：

由公式（3）和（4）可得，=150 Ω，=1 kΩ。

2.2 高频变压器设计

2.2.1 变压器磁心选择

根据窗口面积法（AP法），计算参数AP公式如下：

其中：为窗口系数，取0.4；为波形系数，方波取4；为变压器工作频率，取150 kHz；为工作磁通密度，取1.4 T；为绕组电流密度的比例系数，取400 A/cm；=20 W。通过计算得AP=0.32 cm，根据磁心AP值查表，本设计高频变压器磁心选择EE25/19锰锌铁氧体。

2.2.2 变压器绕组匝数

原边一次侧绕组匝数为：

式中，Δ为磁心工作磁感应强度变化值。根据式（6）计算得，原边匝数=97匝。

根据变压器原边、副边匝数关系，则有副边匝数为：

由式（7）计算得，反馈绕组的线圈匝数=15匝，15 V输出端线圈匝数=9匝，5 V输出端线圈匝数=5匝。

2.2.3 高频变压器气隙计算

为了避免高频变压器出现磁饱和现象，通常在一对磁心接触面留有一定气隙，间隙大小的计算公式为：

式中：为高频变压器一次侧主绕组的峰值电流。由公式（8）计算得，本文中高频变压器气隙=0.22 mm。

3 试验结果及波形

为了验证设计，设置实验条件如下：输入电压=220 V，开关频率为150 kHz，输出电压分别为15 V和5 V；负载为实际负载，即智慧路灯中央控制器。实验数据见表1所列。

表1 实验数据

从实验结果来看，输出电压1，即15 V输出电压的平均值为15.1 V；输出电压2，即5 V输出电压的平均值为5.05 V。

为了验证电源的电压品质，对输出电压的纹波进行检测，输入端为市电220 V-AC，输出电压1纹波峰峰值为328 mV；输出电压2纹波峰峰值为228 mV。输出电压波形和输出纹波分别如图4、图5所示。

图4 两路电压输出波形

图5 两路输出纹波

根据样机实测结果可知，本文设计的AC-DC开关电源的输出电压品质符合设计性能要求，能满足实际工况应用。

4 结 语

本文设计了一款应用于智慧路灯控制系统的双路输出AC-DC开关电源。经过实验测试，该电源成功克服了传统双路输出电源的防雷等级低、寿命短及可靠性差等弊端。该电源有输出稳压性能好和输出电压品质高等优点，具备良好的通用性。