一种输出电压4～16V开关稳压电源的设计

1、一种输出电压416V开关稳压电源的设计摘要：介绍一种采用半桥电路的开关电源，其输入电压为交流220V20，输出电压为直流416V，最大电流40A，工作频率50kHz。重点介绍了该电源的设计思想，工作原理及特点。关键词：脉宽调制；半桥变换器；电源1引言在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在515V，电流在540A的电源。而一般实验用电源最大电流只有5A、10A。为此专门开发了电压4V16V连续可调，输出电流最大40A的开关电源。它采用了半桥电路，所选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为50kHz，具有重量轻、体积小、成本低等特点。 2主要技术指标1）交流输输入电压压AC2220VV20

2、0； 2）直流输输出电压压4116V可可调； 3）输出电电流040AA； 4）输出电电压调整整率11； 5）纹波电电压Uppp50mmV； 6）显示与与报警具具有电流流/电压压显示功功能及故故障告警警指示。 3基本工工作原理理及原理理框图 该电电源的原原理框图图如图11所示。 2220V交交流电压压经过EEMI滤滤波及整整流滤波波后，得得到约3300VV的直流流电压加加到半桥桥变换器器上，用用脉宽调调制电路路产生的的双列脉脉冲信号号去驱动动功率MMOS管管，通过过功率变变压器的的耦合和和隔离作作用在次次级得到到准方波波电压，经整流流滤波反反馈控制制后可得得到稳定定的直流流输出电电压。 4各主主

3、要功能能描述 4.1交交流EMMI滤波波及整流流滤波电电路 交流流EMII滤波及及整流滤滤波电路路如图22所示。电子子设备的的电源线线是电磁磁干扰（EMII）出入入电子设设备的一一个重要要途径，在设备备电源线线入口处处安装电电网滤波波器可以以有效地地切断这这条电磁磁干扰传传播途径径，本电电源滤波波器由带带有IEEC插头头电网滤滤波器和和PCBB电源滤滤波器组组成。IIEC插插头电网网滤波器器主要是是阻止来来自电网网的干扰扰进入电电源机箱箱。PCCB电源源滤波器器主要是是抑制功功率开关关转换时时产生的的高频噪噪声。 交流流输入2220VV时，整整流采用用桥式整整流电路路。如果果将JTTI跳线线短

4、连时时，则适适用于1110VV交流输输入电压压。由于于输入电电压高，电容器器容量大大，因此此在接通通电网瞬瞬间会产产生很大大的浪涌涌冲击电电流，一一般浪涌涌电流值值为稳态态电流的的数十倍倍。这可可能造成成整流桥桥和输入入保险丝丝的损坏坏，也可可能造成成高频变变压器磁磁芯饱和和损坏功功率器件件，造成成高压电电解电容容使用寿寿命降低低等。所所以在整整流桥前前加入由由电阻RR1和继继电器KK1组成成的输入入软启动动电路。 4.2半半桥式功功率变换换器 该电电源采用用半桥式式变换电电路，如如图6所所示，其其工作频频率500kHzz，在初初级一侧侧的主要要部分是是Q4和和Q5功功率管及及C344和C33

5、5电容容器。QQ4和QQ5交替替导通、截止，在高频频变压器器初级绕绕组N11两端产产生一幅幅值为UU1/22的正负负方波脉脉冲电压压。能量量通过变变压器传传递到输输出端，Q4和和Q5采采用IRRFP4460功功率MOOS管。 4.3功功率变压压器的设设计 1）工作频频率的设设定 工作作频率对对电源的的体积、重量及及电路特特性影响响很大。工作频频率高，输出滤滤波电感感和电容容体积减减小，但但开关损损耗增高高，热量量增大，散热器器体积加加大。因因此根据据元器件件及性价价比等因因素，将将电源工工作频率率进行优优化设计计，本例例为fss=500kHzz。 T=1/ffs=11/500kHzz=200s

6、 2）磁芯选选用 选选取磁芯芯材料和和磁芯结结构 选用用R2KKB铁氧氧体材料料制成的的EE型型铁氧体体磁芯。其具有有品种多多，引线线空间大大，接线线操作方方便，价价格便宜宜等优点点。 确确定工作作磁感应应强度BBm R22KB软软磁铁氧氧体材料料的饱和和磁感应应强度BBs=00.477T，考考虑到高高温时BBs会下下降，同同时为防防止合闸闸瞬间高高频变压压器饱和和，选定定Bm=1/33Bs=0.115T。计计算并确确定磁芯芯型号 磁芯芯的几何何截面积积S和磁磁芯的窗窗口面积积Q与输输出功率率Po存存在一定定的函数数关系。对于半半桥变换换器，当当脉冲波波形近似似为方波波时为式中中：效率率； j

7、电流流密度，一般取取30005000A/cm22； Kcc磁磁芯的填填充系数数，对于于铁氧体体Kc=1； Kuu铜铜的填充充系数，Ku与与导线线线径及绕绕制的工工艺及绕绕组数量量等有关关，一般般为0.100.5左左右。 由厂厂家手册册知，EEE555磁芯的的S=33.544cm22,Q=3.110422cm22,则SSQ=110.99cm44，EEE55磁磁芯的SSQ值大大于计算算值，选选定该磁磁芯。 3)计算原原副边绕绕组匝数数 按输输入电压压最低及及输出满满载的情情况（此此时占空空比最大大）来计计算原副副边绕组组匝数，已知UUminn=1776V经经整流滤滤波后直直流输入入电压UUdmii

8、n=11.21766=2111.22V。 对于于半桥电电路、功功率变压压器初级级绕组上上施加的的电压等等于输入入电压的的一半,即Uppminn=Uddminn/2=1055.6VV，设最最大占定定比Dmmax=0.99，则次级级匝数计计算时取取输出电电压最大大值Uoomaxx=166V。次次级电路路采用全全波整流流，Uss为次级级绕组上上的感应应电压，Uo为为输出电电压，UUf为整整流二极极管压降降，取11V。UUz为滤滤波电感感等线路路压降，取0.3V，则4）选定导导线线径径 在选选用绕组组的导线线线径时时，要考考虑导线线的集肤肤效应，一般要要求导线线线径小小于两倍倍穿透深深度，而而穿透深深

9、度由由式（22）决定定式中中：为为角频率率，=2ffs；为导线线的磁导导率，对对于铜线线相对磁磁导率r=11，则=00rr=41007HH/m； 为为铜的电电导率，=55811066m； 穿透透深度的单位位为m。 变压压器工作作频率550kHHz，在在此频率率下铜导导线的穿穿透深度度为=0.229566mm，因此绕绕组线径径必须是是直径小小于0.59mmm的铜铜线。另另外考虑虑到铜线线电流密密度一般般取36A/mm22，故这这里选用用0.556mmm的漆包包线8股股并联绕绕制初级级共100匝，次次级选用用厚0.15mmm扁铜铜带绕制制2匝。 4.4辅辅助电源源的设计计 辅助助电源采采用RCCC

10、变换换器（RRingginggChookeCConvvertter），见图图3。其其输入电电压为交交流2220V整整流滤波波电压，输出直直流电压压为122.5VV，输出出直流电电流为00.5AA。电路路中Q88和变压压器初级级绕组线线圈N11与反馈馈绕组线线圈N33构成自自激振荡荡。R772为启启动电阻阻。Q99、R777构成成辅助电电源初级级过流保保护。DD20、C811、ZDD1、QQ11、R755、R776构成成电压检检测与稳稳压电路路，控制制Q8的的基极电电流的直直流分量量，从而而保持输输出电压压恒定，变压器器采用EEE199、LPP3材质质构成。初级1180匝匝，反馈馈绕组55.5匝

11、匝，次级级11匝匝，初级级电感量量是2.6mHH，磁芯芯中间留留有间隙隙0.44mm。 4.5驱驱动电路路 驱动动电路如如图4所所示。TTL4994输出出50kkHz的的脉冲信信号，通通过高频频脉冲变变压器耦耦合去驱驱动功率率MOSS管。次次级脉冲冲电压为为正时，MOSS管导通通，在此此期间QQ7截止止，由其其构成的的泄放电电路不工工作。当当次级脉脉冲电压压为零时时，则QQ7导通通，快速速泄放MMOS管管栅级电电荷，加加速MOOS管截截止。RR70是是用于抑抑制驱动动脉冲的的尖峰，R688、D115、RR67可可以加速速驱动并并防止驱驱动脉冲冲产生振振荡。DD17和和与它相相连的脉脉冲变压压器

12、绕组组共同构构成去磁磁电路。4.6风风扇风速速控制电电路 风扇扇风速控控制电路路见图55。利用用二极管管正向管管压降随随温度升升高而呈呈下降趋趋势的特特性，将将D9、D100做为散散热器温温度采样样器件。方法是是将D99、D110两二二极管紧紧靠在散散热器上上，当散散热器随随输出功功率加大大而温度度升高时时，运放放N2AA正相输输入端电电平降低低，输出出低电平平使三极极管Q33开始导导通，风风机上电电压升高高，转速速升高，最终到到达最高高转速。当负载载较轻，使散热热器温度度低于550时时，N22A输出出高电平平，Q33不导通通，辅助助电源112.55V经电电阻R557降压压给风机机供电，风机处

13、处于低速速、低噪噪声运行行状态。此电路路可以提提高风机机工作寿寿命，增增加电路路可靠性性，亦可可在小负负载情况况下，减减少风机机带来的的噪声。4.7PPWM控控制电路路 控制制电路采采用通用用脉宽调调制器TTL4994，具具有通用用性和成成本低等等优点，见图66。输出出电压经经R400、RVV2、RRV1、R411进行分分压采样样，经RR5阻抗抗匹配后后送到TTL4994脚11。RVV1装在在电源前前面板上上用于实实现输出出电压的的调节。R1003和CC14将将输出电电感L11前信号号采样，经R55送到TTL4994脚11，用于于提高电电源稳定定度，消消除L11对环路路稳定性性影响。 4.8过过流保护护电路 为增增强电源源可靠性性，此电电源采用用初、次次级两级级过流保保护。初初级采用用电流互互感器CCT1检检测初级级变压器器电流，检测出出的电流流信号经经R600转为电电压信号号后，再再经D22D44，C99整流滤滤波后，经过电电位器RRV3分分压，反反相器NN3反相相后加在在Q1管管基极。当初级级电流超超过正常常时，反反相器反反转，QQ1管导导通，将将VREEF=55V的高高电平加加在TLL4944脚4上上（脚44为TLL4944死区控控制脚、高电平平关断），TLL4944关断。 输出出直流总总