《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計(jì)
摘要: 某電信設(shè)備用電源要求輸入為AC 220V,有5V/6A、12V/4A、-12V/0.3A、24V/4A四路DC輸出。并且要求具有在線UPS功能,交流停電時(shí)要無(wú)間隙切換,保證設(shè)備繼續(xù)正常供電,直至營(yíng)業(yè)廳最近一筆業(yè)務(wù)辦彈完畢,系統(tǒng)處理保存完各種數(shù)據(jù)后允許關(guān)機(jī)(上位機(jī)給電源發(fā)出關(guān)機(jī)信號(hào))方可斷電,且要求成本低廉。
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  0 引言

  某電信設(shè)備用電源要求輸入為AC 220V,有5V/6A、12V/4A、-12V/0.3A、24V/4A四路DC輸出。并且要求具有在線UPS功能,交流停電時(shí)要無(wú)間隙切換,保證設(shè)備繼續(xù)正常供電,直至營(yíng)業(yè)廳最近一筆業(yè)務(wù)辦彈完畢,系統(tǒng)處理保存完各種數(shù)據(jù)后允許關(guān)機(jī)(上位機(jī)給電源發(fā)出關(guān)機(jī)信號(hào))方可斷電,且要求成本低廉。

  1 方案選擇

  常用方案為交流輸入側(cè)加一個(gè)輸出AC 220 V的UPS,后面為AC/DC多路輸出開(kāi)關(guān)電源。但這種方案線路較復(fù)雜,成本較高??紤]到該電源的具體要求,我們確定了以下方案:電源分兩級(jí),第一級(jí)為AC/DC,將AC 220V變換為DC 24V,一方面為24V負(fù)載供電,同時(shí)給24V蓄電池充電(因?yàn)樵撾娫粗行铍姵貫閭溆秒娫矗瑸楦〕涫褂脿顟B(tài),故充電電壓取2.275V/cell,24 V蓄電池的浮充電壓即為2 275x12=27.3 V。因而實(shí)際輸出電壓設(shè)計(jì)為27.3V,以對(duì)蓄電池浮充電,24V負(fù)載允許±15%電壓波動(dòng))。第二級(jí)為DC/DC,將24 V變換為5 V及±12V多路輸出。這樣,既滿足了使用要求,電路又較簡(jiǎn)單,成本較低。該電源原理框圖如圖1所示。

一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

  2 工作原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

  2.1 第一級(jí)AC/DC

  考慮到輸入為AC 220V,為降低開(kāi)關(guān)器件電壓定額,主電路拓?fù)洳扇“霕蚍绞?,fk50 kHz,PWM控制芯片采用TL494。眾所周知,TL494是TI公司生產(chǎn)的使用非常廣泛的電壓型PWM控制芯片,包含兩個(gè)誤差放大器,一個(gè)振蕩器,一個(gè)死區(qū)時(shí)間控制比較器(DTC),一個(gè)脈沖調(diào)整控制觸發(fā)器,一個(gè)5 V精度5%的基準(zhǔn)電源及輸出控制電路。該芯片可通過(guò)輸出控制端(腳13)接地或接基準(zhǔn)電壓Vref選擇輸出為單端并聯(lián)方式或推挽工作方式。在本電源中,TL494 工作于推挽工作方式。一個(gè)誤差放大器用作輸出電壓反饋控制,一個(gè)誤差放大器用來(lái)進(jìn)行一次側(cè)過(guò)流保護(hù),DTC用來(lái)進(jìn)行輸出電壓過(guò)壓保護(hù),因?yàn)樵贒TC上電壓為0~3.3 V時(shí),死區(qū)時(shí)間占空比在3%~100%間線性變化。TL494對(duì)接線路如圖2所示。

一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

  為了保證蓄電池不會(huì)放虧,延長(zhǎng)電池使用壽命,設(shè)有欠壓保護(hù)電路,如圖3所示。

一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

  由圖3可見(jiàn),不論何種原因,當(dāng)電壓低于蓄電池終止電壓(理論值21 V,實(shí)際設(shè)計(jì)值為2I.5 V)時(shí),繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi),切除蓄電池負(fù)載,并保持該狀態(tài)至下次交流恢復(fù)供電,為防止在動(dòng)作值臨界點(diǎn)附近比較器輸出產(chǎn)生振蕩,加有正反饋環(huán)節(jié),使比較器輸入信號(hào)產(chǎn)生回差滯環(huán)。

  2.2 第二級(jí)DC/DC

  由于DC/DC部分輸出功率不大,約80 W,且為多路輸出,故采用單端反激線路是合適的。工作頻率fk取100 kHz,PWM控制芯片采用UC3845A,該芯片是一種常用的低成本電流型PWM控制芯片,除包含一個(gè)誤差放大器、一個(gè)內(nèi)部振蕩器、一個(gè)5 V基準(zhǔn)電源、一個(gè)欠壓保護(hù)比較器及大電流圖騰柱輸出級(jí)外,該芯片還包含一個(gè)電流傳感比較器,因而具有逐脈限流的特點(diǎn)。利用該特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了初級(jí)電流逐脈限流保護(hù),并據(jù)此設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、實(shí)用的輸出側(cè)5V、12 V過(guò)壓保護(hù)電路,當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓時(shí),對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓管擊穿,晶閘管引起逐脈限流保護(hù)。

  因?yàn)镈C/DC的5 V、12V輸出負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)變化較大,且時(shí)序不同,單用5V一路反饋信號(hào),雖可使5 V在啟動(dòng)及正常工作時(shí)保持穩(wěn)定,但12V的電壓其穩(wěn)定性在啟動(dòng)時(shí)受5 V負(fù)載變化的影啊較大,亦即動(dòng)態(tài)交叉負(fù)載調(diào)整率較大,不滿足設(shè)備使用要求。為提高12V的輸出電壓的穩(wěn)定性,引入了 12 V輸出的反饋信號(hào),如圖4所示。

一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

  在12V輸出與 UC3845A的腳2反饋端VFB加反饋電阻(實(shí)際應(yīng)用中,為方便滿足設(shè)計(jì)電阻位,設(shè)汁為兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻),因原副邊共地,故直接分壓反饋,不用光耦隔離,簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、響應(yīng)快,取反饋比例系數(shù)K=0.5,因5 V單一反饋時(shí)流入VFB腳的反饋電流IFB=(5-2.50)/(5.1xlO3)=490(μA),故12V反饋電流為K4x90=0.5x490=245(μA),則12V輸出與VFB間電阻值為(12-2.50)/245×10-6=38.8Ω,取電阻標(biāo)稱(chēng)值39kΩ。而5V輸出與VFB間的反饋電阻值為(5-2.5)/245x10-6=10.2(kΩ),取電阻標(biāo)稱(chēng)值10kΩ。根據(jù)實(shí)際情況,可調(diào)整12V輸出的反饋深度,即調(diào)整反饋比例系數(shù)K,也可引入更多路的反饋信號(hào),各路反饋信號(hào)的反饋比例系數(shù)可調(diào)整,但其總和應(yīng)為1,此即為所謂多路比例反饋。引入12V反饋信號(hào)后,12V穩(wěn)壓精度提高,5V穩(wěn)壓精度略有降低,滿足了設(shè)備動(dòng)、靜態(tài)要求。

  因電源所帶負(fù)載包括CPU及大規(guī)模集成電路,對(duì)電壓沖擊較敏感,故在5V及12V反饋電阻上并聯(lián)有電容引入微分反饋信號(hào),以抑制開(kāi)機(jī)時(shí)各輸出電壓的上沖幅值。

  3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

  AC/DC高頻變壓器采用El-40立式磁芯,材質(zhì)為鐵氧體PC40,采用“初包次”的繞法,即靠近磁芯最里層先繞一半匝數(shù)初級(jí)繞組,再繞次級(jí)繞組及輔助電源繞組,末了最外層再繞剩下的一半匝數(shù)初級(jí)繞組,亦即所謂“三明治”繞法,使初、次(原、副邊)級(jí)耦合較好,漏感小。

  DC/DC高頻變壓器采用EER28立式磁芯,材質(zhì)為鐵氧體PC40,氣隙取1.06 mm,采用“三明治”繞法,同時(shí)因?yàn)楦边厼槎嗦份敵?,故副邊繞組采用堆疊法繞制,以加強(qiáng)耦合,減少漏感,降低成本。對(duì)于輸出電流較大的繞組,采用多股并繞方式繞制,以減小集膚效應(yīng),增強(qiáng)耦合。

 

  4 結(jié)語(yǔ)

  該電源實(shí)測(cè)表明,滿載時(shí)各輸出電壓紋波峰峰值Vp-p(頻帶寬20MHz)如表1所列。

一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計(jì)

  一級(jí)AC/DC效率η=88%,二級(jí)DC/DC效率η=75%,各保護(hù)環(huán)節(jié)工作可靠,滿足設(shè)備啟動(dòng)及正常工作的要求。該電源已批量生產(chǎn)近一年,實(shí)際運(yùn)行可靠穩(wěn)定,性能良好。

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