蔣榮慰 方 敏 徐科軍

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

儀用超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關電源研制

蔣榮慰 方 敏 徐科軍

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

提出采用由升壓變換電路和反激變換電路組成的兩級級聯電路拓撲結構，研制應用于自動化儀表的超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關電源，使自動化儀表能夠自動適應85～265V交流和18～100V直流電源供電，以方便現場應用，減少儀器損壞。該電源模塊由輸入保護濾波電路、升壓變換電路、反激變換電路、輔助供電、控制電路和兩路PWM調制電路組成。通過合理選擇兩級電路的拓撲結構和切換點以及輔助供電的來源和切換方式，提高開關電源的效率、增大輸出功率。

電源 超寬輸入電壓范圍 AC/DC-DC 升壓變換電路 反激變換電路

電源模塊是自動化儀表的重要組成部分，其作用是將外部提供的電源轉換成自動化儀表工作所需要的直流電源。自動化儀表應用的場合非常廣泛，其外部電源可能是電網提供的220V交流電，也可能是現場提供的24V直流電。為了滿足應用需要，自動化儀表的電源模塊被設計成兩種形式，一種是將220V交流電轉換成儀表所用的直流電，另外一種是將24V直流電轉換成儀表所用的直流電。用戶需要根據實際應用場合所提供的外部電源情況，來選擇不同的電源模塊。這樣做不僅給用戶使用帶來不便，更為嚴重的是，當把具有直流轉直流電源的自動化儀表的電源插頭插到220V交流電源上時，儀表就會損壞。這種情況在現場時有發(fā)生。為此，一些國際公司在生產自動化儀表時，就配置了能夠自動適應85～265V交流和18～100V直流電源供電的電源模塊,例如，Micro Motion公司生產的1700/2700型變送器。當使用此類儀表時，就不需要區(qū)別現場提供的是220V交流電，還是24V直流電，非常方便和安全。但是，他們沒有披露電源模塊的具體技術細節(jié)。而國產自動化儀表中均沒有這樣的電源模塊。要研制出這樣一種AC/DC-DC電源存在的技術難題，主要是要自動適應85～265V交流和18～100V直流電源供電，輸入電壓范圍太大，造成電路拓撲結構設計及器件選擇困難等。

為此，筆者提出由兩級變換電路組成級聯電路的設計方案，研究兩級電路合適的切換方式和切換點，研制寬范圍輸入電壓(工頻85～265V(AC)和18～100V(DC))和四路電壓輸出，將其應用于科氏質量流量計，并進行實驗測試。

1.1 電路拓撲結構

該系統(tǒng)最低輸入電壓為18V(DC)、最高輸入電壓為265V(AC)，兩者相差較大，使用單級電路拓撲難以使電路得到優(yōu)化，必須采用由兩級或者多級電路拓撲組成的級聯電路。對于級聯電路，為了保證系統(tǒng)的可靠性和高效性，還需要考慮合適的切換方式和切換點[1]。

筆者采用兩級變換電路組成級聯電路拓撲的方法。第一級電路采用升壓變換電路拓撲，其結構簡單、效率高、開關管驅動簡單。第二級電路采用反激變換電路拓撲，其所需元器件較少、調試方便，并且適合小功率且有多路輸出電壓的開關電源。

在兩級電路拓撲的切換方式下，采樣輸入電壓，根據采樣值判斷是否需要將升壓變換電路中的開關管一直關斷。如果需要升壓變換電路，其開關管正常工作；如果不需要，控制其開關管一直關斷，就控制了升壓變換電路不再起升壓作用，也就完成了兩級電路之間的可靠切換。由于升壓變換電路中開關管接在低端，控制方便，也方便兩級電路的切換。

在兩級電路拓撲切換點的選擇上，分析兩級電路的特點，根據計算，選擇切換點電壓為60V(DC)。對于第一級升壓電路來說，其輸出電壓越接近輸入電壓，電路轉換效率就越高[2]。但是，對于第二級的反激變換電路來說，如果輸入電壓過低，將會導致變壓器優(yōu)化設計困難。并且，對于反激變換電路來說，為了防止磁芯飽和，設計電路最大占空比D要小于0.50，一般取0.45。反激變換電路占空比計算公式為：

其中，VIN為第二級變換電路輸入電壓，VO為輸出電壓，N為隔離變壓器原邊繞組NP與副邊繞組NS的匝數比。根據設計，選擇EFD2513磁芯，變壓器原邊繞組100匝，副邊24V輸出繞組50匝，則最小輸入電壓VIN為58.67V。結合實驗，最終選擇60V作為最小輸入電壓，即切換點電壓。

使用此兩級電路組成的級聯電路解決了單級電路拓撲中開關管或者變壓器難以優(yōu)化設計的問題，使得控制電路輸出的PWM波的占空比變化也小很多。兩級電路之間進行切換的方法是通過電壓檢測比較電路控制升壓變換電路中的PWM調制電路，使其處于正常工作狀態(tài)或者鎖存狀態(tài)，這樣避免了使用繼電器切換[3]或者切斷控制芯片電源等方法實現電路切換所帶來的問題。兩級電路之間的切換點電壓是60V，這樣可以使系統(tǒng)效率最高。

1.2控制方法

為了保證該超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關電源穩(wěn)定、快速和可靠工作，采用雙閉環(huán)控制，也就是電流模式控制方式。雙閉環(huán)控制中的外環(huán)為電壓環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)，通過引入開關管電流構建內反饋環(huán)，能更快地反映輸入電壓的波動，從而迅速地調節(jié)參數，使系統(tǒng)快速進入新的穩(wěn)態(tài)。輸出電壓經過電壓檢測后得到電壓反饋量，然后與參考電壓形成偏差，經電壓誤差放大后產生電流參考量，其中，電壓調節(jié)采用PID調節(jié)方式。流過開關管的電流經過電流檢測后得到電流反饋量，然后經過電流檢測比較，再通過脈寬調制輸出占空比可調的PWM波。該PWM波驅動升壓變換電路和反激變換電路中的開關管，從而實現電源模塊輸出電壓的精確控制[4]。電源控制原理框圖如圖1所示。

圖1 電源控制框圖

2 硬件研制

2.1硬件原理框圖

該超寬輸入電壓范圍AC/DC-DC開關電源的硬件原理框圖如圖2所示。主要由輸入保護電路、EMI濾波電路、工頻整流濾波電路、高頻整流濾波電路、升壓變換電路、反激變換電路、電壓電流采樣電路、PWM調制電路、輔助供電電源電路、電源切換電路、電壓檢測比較控制電路和光耦隔離電路組成。其中，輸入保護電路用來防止短路引起電流過大以及發(fā)生雷擊等情況導致的電壓過沖。EMI濾波電路主要是對輸入電源的電磁噪聲和雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。整流濾波電路一方面用來將方向和大小都變化的交流電變換為方向不變但大小仍有脈動的直流電，并將交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電；另一方面用來防止輸入電壓為直流電時正負端電壓出現反接的情況[5]。電壓檢測比較控制電路用來檢測輸入電壓并根據檢測值大小來切換第一級電路。輔助供電電源電路用來給在電路上電瞬間的系統(tǒng)中的有源芯片供電。升壓變換電路用來將輸入的低電壓升壓到第二級電路的工作電壓。反激變換電路作為第二級電路，用來給負載提供穩(wěn)定的電壓，并將輸出電壓和輸入電壓進行電氣隔離。電壓電流采樣電路將采樣電壓和電流一并送入PWM調制電路，然后由PWM調制電路輸出占空比不同的PWM波，控制兩級電路的開關管。

圖2 硬件原理框圖

當輸入電壓為18～60V(DC)時，在理想情況下，通過整流濾波等電路后輸出電壓仍為該范圍電壓。這時，采樣電路采樣的電壓值低于電壓檢測比較電路中設定的切換值，切換電路不動作，第一級升壓變換電路選通，將此范圍輸入電壓都升壓到60V(DC)。該60V電壓再經過第二級反激變換電路得到4路輸出電壓。

當輸入電壓為60～100V(DC)或者85～265V(AC)時，經過整流濾波等電路后得到60～370V(DC)。這時，采樣電路采樣的電壓值高于電壓檢測比較電路中設定的切換值，切換電路動作。這時，第一級升壓變換電路不工作，即升壓變換電路中的PWM調制電路沒有PWM波輸出，升壓變換電路中的開關管一直處于關斷狀態(tài)。則此范圍輸入電壓直接通過第二級反激變換電路得到4路輸出電壓。

2.2控制電路

對于電壓外環(huán)PID調節(jié)，其硬件電路原理如圖3所示。電阻R1和R2采樣輸出電壓VO，電阻R3與R1的比值決定P調節(jié)的參數，電容C1決定I調節(jié)的參數，電容C2決定D調節(jié)的參數。如果電阻、電容參數選擇不合適就會導致環(huán)路不穩(wěn)定，從而導致變壓器產生振蕩而發(fā)出響聲。在調試過程中，P調節(jié)的參數選擇在5～10左右，電容C1容值小于0.10μF，電容C2的值小于0.01μF。選擇合適的R3、C1和C2值，保證在整個輸入電壓范圍內，負載從10%～100%變化過程中，輸出電壓穩(wěn)定，儀表正常工作，變壓器沒有響聲。

圖3 PID調節(jié)電路原理

2.3切換電路

該電源模塊包括兩個切換電路(圖4)，一個是輔助供電電源切換電路，另一個是兩級電路拓撲之間的切換電路。

圖4 切換電路原理

在輔助供電電源切換電路中，輔助供電電源電路原理與常用的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)相同，其輸入電壓范圍可以滿足該電源輸入范圍要求，并且可以通過外接Q2來擴大其輸出電流。設定電阻R4和R5的比值可以得到有源芯片的工作電壓VCC，該電壓維持電路啟動。由于LDO效率較低，不能長時間供電，當電路完成啟動并達到穩(wěn)定后，由第二級反激變換電路變壓器的輔助繞組產生電壓VCC1加到二極管D1的陽極，當VCC1>VCC+1時，輔助供電電源電路中的U2自動關斷，此時，電路中的有源芯片都通過VCC1來供電，這樣也就完成了輔助供電電源切換過程。

在兩級電路拓撲切換電路中，電阻R6和R7采樣整流濾波后的輸入電壓，并將采樣值送入比較器U3A。當采樣值大于U3A的參考電壓Vref時，比較器輸出高電平，三極管Q3導通，Q3的集電極被拉低到低電平，從而控制升壓變換電路中的控制芯片處于鎖存狀態(tài)，也就控制了升壓變換電路中的開關管一直關斷，這樣就完成了兩級電路之間的切換。

3 實驗測試

為了評價所研制電源的性能指標，對電源進行了基本性能測試[6]。為了考核研制電源的實用性，將電源應用于科氏質量流量計，與國外儀表進行了對比實驗，還進行了溫度實驗。

3.1基本性能測試

基本性能測試包括測試電源輸出電壓準確度、電壓調整率和效率、負載調整率、輸出電壓紋波和效率，測試結果見表1。由表1可知，在24V(DC)和220V(AC)輸入電壓下，所研制電源的各項基本性能指標均達到了一般開關電源的要求。

表1 電源模塊性能測試結果

3.2實用性考核

3.2.1對比實驗

將研制的電源接入科氏質量流量變送器中，與美國Micro Motion公司的1700/2700型科氏質量流量變送器進行對比實驗。在實驗中，兩種變送器均接同一臺傳感器進行工作。這樣對電源來說，負載基本相同。

主要測試電源的瞬態(tài)性能。在上電瞬間，由于電源模塊中電解電容和負載中電容相當于短路，電源模塊需要外部電源提供較大的啟動電流[7]。為此，分別測試在外部24V直流電源供電和220V交流電源供電的情況下，研制電源和美國Micro Motion公司科氏質量流量變送器電源的啟動電流大小。在實驗中，調節(jié)電路，使接入所研制電源的變送器產生的驅動傳感器信號幅值與Micro Motion公司變送器的驅動信號幅值相同。用電流鉗測量外部電源提供的電流，用示波器記錄下來，測試結果見表2。

表2 電源啟動電流測試結果

測試結果表明，在24V(DC)輸入時，兩個電源的啟動電流相當；在220V(AC)輸入時，筆者研制電源的啟動電流比Micro Motion公司的1700/2700型變送器的電源啟動電流小。較小的啟動電流可以帶來兩個好處，一個是對外部供電電源功率需求小，另一個是防止浪涌電流對電源的影響。

3.2.2溫度實驗

研制電源將為科氏質量流量計供電，而科氏質量流量計在工業(yè)現場運行時，常常面臨著各種高溫條件的考驗，因此，對研制電源進行高溫測試[8]。根據科氏質量流量計在各種流量下的實際工作電流，用功率電阻來模擬電源的負載。由于變送器的信號處理板中還含有DSP及線性穩(wěn)壓器等發(fā)熱器件，流量計在工作時，整個變送器系統(tǒng)溫度還會升高，用科氏質量流量變送器作為研制電源的負載，進行溫度實驗。設定溫箱溫度為55℃，保溫時間為4h。用接觸式溫度表檢測儀表殼內溫度，時刻觀察DSP工作指示燈情況以判斷DSP是否正常工作，測試數據見表3。

表3 電源模塊溫度測試數據

實驗表明，在55℃高溫下，筆者研制的電源仍然能正常工作；用作科氏質量流量計電源時，整個變送器溫度均在芯片正常工作溫度范圍內，變送器能夠正常工作。

4 結束語

筆者研制的超寬輸入電壓范圍的AC/DC-DC開關電源，解決了國內自動化儀表沒有寬范圍輸入開關電源的難題。設計了由升壓變換電路和反激變換電路組成的兩級式級聯電路拓撲結構，選擇兩級電路之間的切換點電壓為60V(DC)，并通過控制升壓變換電路的工作與否，使電源能夠在兩級電路之間進行安全可靠的切換，符合更寬范圍的輸入電壓要求。還設計了超寬輸入電源的輔助供電電源電路和切換電路，在電路未達到穩(wěn)定狀態(tài)時，由輔助供電電源電路供電；當電路工作穩(wěn)定后，通過電源供電切換電路將輔助供電電源切換掉，從而解決了啟動芯片和啟動電阻一直消耗功率的問題。

實驗結果表明，該電源的輸出電壓準確度小于1%，輸出電壓紋波小于1%，電壓調整率小于1%，負載調整率小于1%，額定負載下的效率在70%以上，啟動電流與國外儀用電源相當，溫度性能優(yōu)越。

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DevelopmentofAC/DC-DCSwitched-modePowerSupplywithSuper-wideInputVoltageRangeforProcessInstrument

JIANG Rong-wei, FANG Min, XU Ke-jun

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

A two-stage cascaded circuit topology which consisting of boost converter and flyback converter circuits was proposed and applied to develop AC/DC-DC switched-mode power supply with super-wide input voltage range for the process instrument so as to adapt the process instrument to 85～265V AC and 18～100V DC power supply and to facilitate their on-site application against any damage. This AC/DC-DC switched-mode power supply consists of an input protection and filter circuit, a boost converter circuit, a flyback converter cir-

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1000-3932(2016)01-0062-06

2015-02-05