【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 通過合理的邏輯判斷和控制 ，在保證系統(tǒng)冗余安全的條件下 ， 有選擇的打開或休眠部分模塊 ， 使系統(tǒng)工作在最佳效率點(diǎn) ， 節(jié)能效率顯著。通過采用以上節(jié)能方案優(yōu)化通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， 可將目前業(yè)界在網(wǎng)應(yīng)用的通信電源的實(shí)際工作效率低載時(shí)提高 7~8 個(gè)百分點(diǎn) ， 高載時(shí)提高3~4 個(gè)百分點(diǎn) ， 從而使站內(nèi)通信電源達(dá)到直接節(jié)能與間接節(jié)能的目的。 2 設(shè)計(jì)方案 本課題選題意義 本課題研究的是高頻開關(guān)電源及其幾個(gè)研究熱點(diǎn)，符合開關(guān)電源的發(fā)展方向，有助于新技術(shù)在國(guó)內(nèi)開關(guān)電源中的應(yīng)用。理論聯(lián)系實(shí)際，通過高頻開關(guān)電源的研發(fā)，可以使得理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程中，同時(shí)也培養(yǎng)了作者的科研能力和創(chuàng)新意識(shí)。高頻開關(guān)電源 （ 也稱為開關(guān)型整流器 SMR） 通過 MOSFET 或 IGBT 的高頻工作，開關(guān)頻率一般控制在 50100kHz 范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。 方案的設(shè)計(jì)要求 以下是高頻 開關(guān)電源的基本功能： （ 1）通過 MODEM 和電話網(wǎng)與監(jiān)控中心通信 ， 從通信口讀取高頻開關(guān)電源的信息。 （ 2）測(cè)量模塊的輸出電流和電壓、直流母線電流和電壓、電源的輸出電流和電壓、電池充放電電流和電壓等。 （ 3）控制電源的輸出電流和穩(wěn)流，控制電源的開關(guān)機(jī)等。 （ 4）控制高頻開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池浮充、均充方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。 （ 5）控制硅鏈的自動(dòng)或手動(dòng)投切，保證控制母線的穩(wěn)壓精度，進(jìn)而保證微機(jī)和晶體管保護(hù)用電的可靠性，防止造成保護(hù)誤動(dòng)。 （ 6）調(diào)節(jié)充電限流值和總輸出電流穩(wěn)流值。 （ 7）具有本地和遠(yuǎn)程控制方式，采用密碼 允許或禁止方式操作，以增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn) 可靠性。 選取的設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)控制電路形式為反激式，單端反激式電路比正激式開關(guān)電源少用一個(gè)大 6 儲(chǔ)能濾波電感以及一個(gè)續(xù)流二極管，因此其體積小，且成本低。此電源設(shè)計(jì)要采用的是反激式的開關(guān)管連接方式，并且開關(guān)電源的觸發(fā)方式是他激式。設(shè)計(jì)采用了UC3842作為 PWM控制電路。 電源開關(guān)頻率的選擇決定了變換器如開關(guān)損耗、門極驅(qū)動(dòng)損耗、輸出整流管的損耗會(huì)越來越突出 ， 對(duì)磁性材料的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)的要求也會(huì)越苛刻。另外 ， 高頻下線路的寄生參數(shù)對(duì)線路的影響程度難以預(yù)料，整個(gè)電路的穩(wěn)定 性、運(yùn)行特性以及系統(tǒng)的調(diào)試會(huì)比較困難。開關(guān)頻率越高，變壓器、電感器的體積越小，電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也越好。但隨著頻率的提高，諸源中，選定工作頻率為 100KHz 。 3 反激式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 高頻開關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)及主電路原理圖 系統(tǒng)參數(shù)如下： 電路形式：?jiǎn)味朔醇な剑? 交流電源： 220V 10%? ； 開關(guān)電源輸出電壓、電流： +5V， 1A； 12V， 1A； +30V， 1A。 開關(guān)管開關(guān)頻率： 100KHzf ? 。 主電路設(shè)計(jì)圖如圖 ，其中的控制芯片采用 UC3842。電源的輸出電壓等級(jí)有三種：＋ 5 V、 12 V、 +30V 。該電路的變換器是一個(gè)降壓型開關(guān)電路。由單管驅(qū)動(dòng)隔離變壓器 TC主繞組 N1電流， C R3可以提供變壓器原邊泄放通路。輸出經(jīng)整流、濾波送負(fù)載。芯片所用的電源 VCC由 R2從整流后電壓提供。 VCC同時(shí)也作為輔助反饋繞組 N3的反饋電壓。如圖 。 圖 UC3842 構(gòu)成的反激式開關(guān)電源電路圖 220V 電由 C L1 濾除電磁干擾，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 1tR 限流，再經(jīng) VC 整流、 C2 濾波，電阻 R電位器 Rw1 降壓后加到 UC3842 的供電端（ ⑦ 腳）， 7 為 UC3842 提供啟動(dòng)電壓 ， 電路啟動(dòng)后變壓器的副繞組 ③④ 的整流濾波電壓一方面為 UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng) R R4 分壓加到誤差放大器的反相輸入端 ② 腳，為 UC3842 提供負(fù)反饋電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。 ④ 腳和 ⑧ 腳外接的 R C8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達(dá) 500KHz。 R C6 用于改善增益和頻率特性。 ⑥ 腳輸出的方波信號(hào)經(jīng) R R8 分壓后驅(qū)動(dòng) MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組 ①② 的能量傳遞到副邊各繞組 ， 經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負(fù)載使用。電阻 R10 用于電流檢測(cè)，經(jīng) R C9 濾濾后送入 UC3842 的 ③ 腳形成電流反饋環(huán) 。 所以由 UC3842 構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高 。 單端反激式高頻變壓器的設(shè)計(jì) 高頻變壓器設(shè)計(jì)考慮的問題 （ 1）磁芯損耗 磁芯損耗取決于磁感應(yīng)增量、頻率和溫度。若不考慮溫度影響 ， 軟磁鐵氧體鐵芯總損耗通常由三部分構(gòu)成 ： 磁滯損耗 Ph、渦流損耗 Pe 和剩余損耗 Pr。每種損耗產(chǎn)生的頻率范圍是不同的 ， 鐵芯總損耗為 ： nmp BVfKP? （ 31 ） 式 （ 31） 其中 KP為鐵芯損耗系數(shù) ， 不考慮溫度時(shí)為常數(shù) ， V為鐵心體積 ， f為工作頻率 ， B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度 ， m 、 n 分別是工作頻率和磁感應(yīng)的指數(shù) ， 它們與鐵芯的材料有關(guān) ， 具體數(shù)值可以通過查表得到。 （ 2）繞組損耗 由于諧波的存在 ， 繞組損耗也是變壓器損耗的重要組成部分 ， 對(duì)變壓器來說諧波畸變率越大 ， 損耗也將會(huì)越大。在諧波影響下 ， 變壓器的繞組損耗將隨著諧波電流的增大而增大。由于非全相整流負(fù)荷的原因 ， 變壓器中會(huì) 存在直流分量 ， 它會(huì)使變壓器產(chǎn)生偏磁。因此 ， 如果考慮直流分量的影響 ， 繞組損耗的計(jì)算公式為 ： ? ? ? ? ? ? ? ?2211 2020 hhhhhhCu IRIRP???? ???? （ 32） 式（ 32）中： CuP 為繞組損耗， h 為諧波次數(shù)， hR （ 1）為第 h次諧波下原邊繞組的電阻， hR （ 2）為第 h次諧波下副邊繞組的電阻， hI （ 1）為流過原邊繞組的諧波電流的有效值， hI （ 2）為流過副邊繞組的諧波電流的有效值。 （ 3）溫升 高頻變壓器的溫升對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和輸出功率會(huì)有影響 ， 而溫升與能量損耗一般成正比關(guān)系 ， 即 ： PRT th?? （ 33） 8 其中 thR ——比例常數(shù)，即熱阻 T? —— 溫升 P—— 損耗功率 由上式 （ 33） 可知 ， 為了降低溫升 ， 必須減少能量的損耗。而能量的損耗又直接與鐵芯 損耗和繞組損耗有關(guān) ， 因此在設(shè)計(jì)中必須考慮降低它們的損耗量。 （ 4）磁芯要求 高頻變壓器與 50Hz的工頻變壓器相比 ， 頻率提高了幾百倍 ， 繞組匝數(shù)大大減少 ， 銅耗及調(diào)整率減小 ， 但鐵芯中的損耗將隨頻率的提高大大增加。一般開關(guān)電源中使用的鐵芯有如下要求 ： （ 1）盡可能高的磁感應(yīng)強(qiáng)度 （ 但注意在最大輸出功率時(shí) ， 不能達(dá)到飽和 ， 以免產(chǎn)生失真 ） ； （ 2）盡可能高的導(dǎo)磁率 ： （ 3）要求磁損較小 ： （ 4）要求線包加工及裝配容易 ： （ 5）磁特性隨溫度變化要小 ， 即要求較穩(wěn)定的溫度系數(shù)。 單端反激式 變壓器設(shè)計(jì) 單端反激式變壓器又稱電感儲(chǔ)能式變壓器，當(dāng)高壓開關(guān)管 Q1被脈寬調(diào)制（ Pulse Width Modulation， PWM）脈沖信號(hào)激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí) ， 直流輸入電壓施加到高頻變壓器 T 的原邊繞組上，在變壓器次級(jí)繞組上感應(yīng)出的電壓使整流管 D1 反向偏置而阻斷，此時(shí)電源能量以磁能形式存儲(chǔ)在初級(jí)電感中；當(dāng)開關(guān)管 Q1 截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒，使 D1導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量釋放給負(fù)載。如圖 。 R 2C 3C 1 0C 1 1C 1 2L 2L 3L 4V D 3V D 4V D 5V D 2V D 1T 112345678 圖 單端反激式變壓器工作原理圖 ① 變壓器磁芯的選擇 開關(guān)電源輸出功率： 5 1 2 12 1 30 1 53WNP ? ? ? ? ? ? ? ? （ 34） 9 磁芯材料選用錳 鋅鐵氧體，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為： 5000Gs，相對(duì)磁導(dǎo)率：300 ~ 5000ru ? ，取最大磁通密度： ? 。 當(dāng)磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度小于 ?時(shí)，磁芯的相對(duì)磁導(dǎo) 率可?。?2021ru ? ，磁芯磁導(dǎo)率為： ? ?742 0 0 0 4 1 0 8 1 0rou u u ????? ? ? ? ? ? 2N / A （ 35） 開關(guān)電源效率取 ?? ，則所需要的變壓器面積乘積為： 563 . 4 2 3 . 4 2 5 30 . 6 5 1 0 0 . 3 0 . 3 3 1 0Ncm m W JPAA fB K K? ??? ? ? ? ? ? = 9 4 10 m m??? （ 36） 式（ 36）中：窗口利用系數(shù) wK 取 ，繞組電流密度 jK 取 3 2A/mm 。由于骨架需要，選擇 EI40 磁芯， 其磁芯截面積為： 21 .2 1 .2 1 .4 4 c mCA ? ? ? 窗口面積為： 20 .8 2 .3 1 .8 4 c mmA ? ? ? 磁路長(zhǎng)度： 10 ml ??? 面積乘積為： c mCmAA ? ? ?