船用开关电源的研究与设计

郑 元

(江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉430056)

0 引 言

船舶上，一般都是由220 V 或者380 V 的交流电进行供电，但很多通信设备和自动化仪器需要直流电进行供电，比如雷达一般都是由船用蓄电池进行电能供应。船用蓄电池的缺点包括需要频繁充电、使用寿命低、需要经常保养，而且当蓄电池电量不足的时候，还会造成通信设备和自动化仪器不能正常工作，甚至直接损坏仪器设备。本文针对220 V 交流供电的船舶而设计的一款船用开关电流，通过电能变换技术把220 V 的交流电转换为需要的24 V 直流，从而代替传统的蓄电池。此开关电源的性能参数为:开关电源的输入是220 V 的交流电，开关电源的输出是24 V 的直流电，输出电流可以达到15 A，工作效率可以达到90%，文波电压为0.1 V 左右［1］。

1 系统组成

开关电源的系统组成如图1 所示，主要包括整流滤波模块、控制模块、显示模块等。其中整流滤波模块是把220 V 的交流电通过隔离变压器、整流电路、滤波电路转换为脉动的直流电压;控制模块主要利用脉冲宽度调制技术控制场效应管输出直流电压，并对场效应管的电流进行采样，由电源芯片执行过流保护功能，并对输出电压进行取样，同时进行调整，然后通过光电隔离，然后传递给电源控制芯片。显示模块主要由键盘、单片机、液晶、AD转换模块、DA 转换模块，其中AD 转换模块负责对开关电源的输出电压进行采样，DA 转换模块负责对开关电源的输出电压进行调节。从而控制原边输出交变的电压，然后由整流电路和滤波电路把脉冲变压器的副边输出的脉冲的直流电压变成比较理想的直流电压，此外利用光耦TL431 光电耦合器形成负反馈的闭环回路，把开关电源的输出电压和输出电流采样到电源芯片UC3843 的电压检测引脚，从而实现输出电压的稳定。此外，震荡电路主要由电阻和电容构成，通过改变电阻和电容的大小就可以改变震荡电路的震荡频率，直到震荡频率与脉冲变压器的频率一样，达到提高工作效率的目标。3 个模块共同组成开关电源，从而实现输出电压的调节，实现一个反激式开关电源的整体功能［2］。

图1 系统组成Fig.1 Components of system

2 硬件系统设计

2.1 整流滤波模块

整流滤波模块目前主要分为未隔离的主电路和已隔离的主电路。未隔离的主电路如图2 所示，其输出的电压要比输入电压小。已隔离的主电路如图3 所示，其输入端口和输出端口没有直接相连，而是通过脉冲变压器进行磁偶合把电能传输到后面一级的电路。当晶体管饱和导通的时候，停止对外进行电能输出，它是通过控制脉冲变压器的原边实现的。当晶体管截止断开的时候，会进行电能输出。由于已隔离的主电路能够为功率低于250 W 的电源供电，并且其输出多路电压的波形质量比较高。综合考虑，本文采用反激式的已隔离主电路。

图2 未隔离的主电路Fig.2 Not quarantined power

图3 已隔离的主电路Fig.3 Quarantined main circuit

电能变换方法主要有2 种，一种方法是利用PFM 技术对脉冲频率进行调节，它的的特点是脉冲的宽度是恒定的，通过调节开关的频率就能改变输出占空比。此外，它的输出电压调节范围比较宽，然而其缺点是对滤波电路有严格的要求，只有在比较宽的频带下才能运行。另一种方法是采用PWM技术对脉冲的宽度进行调节，它的特点是晶体管的开关频率是恒定的，通过控制脉冲的宽度实现对脉冲占空比的控制，电能变换效率比较高，而且输出电压的纹波和干扰比较小。

综合考虑，本文PWM 技术对电能进行调制。为了提高开关电源的电能变换效率，精心设计了2 种方法。一种方法就是把脉冲变压器的副边输出的能量进行补偿，从而抵消由于整流桥损失的能量，实现提高电能的变换效率。具体实现的部件可以是肖特基二极管，因为它的正向工作的电能损耗很小，并且没有关断过程中的能量损失。另一种方法是把震荡器的频率与脉冲变压器的频率设计为一致，这样能够大大提高工作效率。此外，震荡电路主要由电阻和电容构成，通过改变电阻和电容的大小就可以改变震荡电路的震荡频率，直到其震荡频率与脉冲变压器的频率一样，达到提高工作效率的目标［3］。

由于UC3843 的外围电路的连线比较少，而且需要的元器件也不多，价格比较便宜，但是整体性能比较高，因此电源控制芯片选择UC3843;开关功率管采用由于功率场效应管的开关速度比较快，能忍受较高的温度，耐压也能够符合要求，因此开关管选择功率场效应管P60NF06。

3)脉冲变压器的选型

脉冲变压器通过磁场进行耦合隔离，把电能给滤波电路。原边通过连续的工作电流所需要的电感值的计算公式为:

式中:U1min为脉冲变压器初级线圈可以输进的直流电压最小值;Ts 为功率管的开关周期;P 为脉冲变压器输出功率;η 为电能变换的效率。脉冲变压器中磁芯气隙的计算公式为:

式中:B 为铁芯在运行过程中的电磁感应强度;SC是铁芯的横截面积;K 是最小输出的功率与额定的输出功率的比值。脉冲变压器初级线圈的绕组匝数计算公式是:

初级线圈绕组和次级线圈绕组的匝数之比是:

式中:UD 为整流二极管两端的电压压降;UO2为输出电压的大小;N2为次级线圈的匝数。按照上述方法，同理可以得到此外的线圈匝数之比。

通过以上分析，可以确定主电路中所有核心元气件主要参数，关键元器件的参数表如表1 所示。

表1 关键元器件的参数表Tab.1 Parameter table of key components

2.2 控制模块

控制模块主要由电源芯片UC3843 发出PWM 波去控制场效应管的开通和关断，脉冲变压器的原边与场效应管串联，从而控制原边输出交变的电压，然后由整流电路和滤波电路把脉冲变压器的副边输出的脉冲的直流电压变成比较理想的直流电压，此外利用光耦TL431 光电耦合器形成负反馈的闭环回路，把开关电源的输出电压和输出电流采样到电源芯片UC3843的电压检测引脚，从而实现输出电压的稳定［4］。

电源芯片UC3843 运行频率的计算公式为:

输出电流为2 A，输出电压由一个值变到另外一个值时，输出电压的调节系数的计算公式为:

电能变换效率计算公式是:

其中，PO=UOIO，PIN=UINIIN

此外，控制模块配备两级的自我保护，一种保护功能是由单片机的软件担任对整个系统进行保护责任，另一种保护功能由电源控制芯片UC3843 负责。

1)通过霍尔电流传感器检测开关电源的输出电压和输出电流，然后交给运算放大器进行处理后，继续交给模数转换电路进行数字量的转换。通过把单片机作为主控器对输出电压和输出电流进行监控，一旦负载电流大于所设定的值，输出电压自动拉低。同时，为了保护用电设备或者仪器不致于被损坏，单片机还需要负责控制继电器实现开关电源与负载的断开工作，确保开关电源能够持续供电。

2)电源芯片UC3843 持续供电的情况下，采样电阻用于对开关电源的输出电流进行采样，其两端的最大电压由芯片里面的偏差运放控制器进行调节。需要满足的条件如下:

式中:UC为偏差运放控制器的输出电压;IS为采样电流;RS为采样电阻。电源控制芯片UC3843 里面的电流检测比较器的反相端把电压固定在0.5 V，并对能够采样的电流进行控制IS= 0.5 V/ RS。采样电阻与电源控制芯片的3 脚之间，使用电阻和电容构成一个滤波器，从而限制场效应管开通过程出现的峰值电流，它的时间常数几乎就是峰值电流的持续时间。

如果输出电流大于3.4 A，开关电源就会与负载自动解除负载连接，直至解除，电源就能自动恢复为正常状态。

2.3 显示模块和键盘模块

图4 单片机控制电路Fig.4 Control circuit of MCU

单片机控制电路如图4 所示，单片机对键盘的按键进行实时采样，而且每个按键的代码传送至DA的转换芯片，从而把数字量被转换成模拟量，传给电压调整模块，最终对开关电源的输出电压进行调节。单片机实时利用模数转换芯片TLC1543 实现模数采集功能，将采集到的模拟电压转换成数字电压，并控制数码管对输出电压和输出电流进行显示。

3 软件系统设计

软件系统开关电源的流程图如图5 所示，主要包括系统初始化程序、电压和电流采样子程序、过流采样子程序、显示子程序、步长处理子程序、输出电压调整子程序等。其中，初始化程序负责对所有参数进行初始化，采样程序对输出电压和输出电流进行检测［5］。

图5 软件流程图Fig.5 Flow chart of software

4 实验结果与分析

1)实验方法

首先把所有功能模块进行连接，连接完毕之后把20 V 的交流电加入到开关电源的输入端，同时用万用表的直流电压档位检测输出电压的调节范围。然后利用万用表的电流档检测开关电源的输出电流范围。并且让输出电流稳定在4 A 左右，并调节U2由18 ～22 V 变化，测试出万用表电压档测出输出电压的范围。让U2恒定在19 V，调节输出电流IO由0 ～2 A，用万用表的电流档测量出输出电压的范围。设定U2为12 V，UO为24 V，输出电流IO为2 A，借助示波器查看纹波的峰－峰值。然后让U2为15 V，输出电压UO为34 V，输出电流IO为2 A，借助于万用表的电压档测量出开关电源的输入电压，最后用万用表的电流档检测出开关电源的输入电流IIN。

2)试验结果

表2 试验结果Tab.1 The test result

3)测试结果分析

开关电源的输出电压调节范围已达到设计标准;最大输出电流为10 A，达到了设计的标准;电压调整率是0.21%，满足了标准;负载调整率是0.19%，满足了标准;纹波电压的实际测量值是212 mV;开关电源的效率可以达到92%，达到了要求。

5 结 语

目前，船舶上的各种通信设备和仪器都需要直流进行供电，因此船舶上会到处布置线路，对多功能的电源需求很强，本文设计的这款船用开关电源完全可以满足要求。实际使用结果显示，它的运行状态非常稳定，便于携带，减少船舶上的线路布置，并减少了电源布置的空间。

［1］王卉隽．船舶供电系统的设计与研究［J］．中国新技术新产品，2011(11):146．

［2］杨晓静．高频开关电源的研究与设计［D］．武汉:武汉理工大学，2011．

［3］梅阳凤．数字开关电源的设计与实现［D］．广州:广东工业大学，2011．

［4］李洪义，阎毓杰，吴宏悦．舰艇开关电源的低频传导干扰建模与仿真［J］．舰船科学技术，2009(4):142 －146．

［5］刘小虎，张天浩，吴岿华．一种基于DSP 组合式中频逆变电源的设计［J］．舰船科学技术，2011(12):79 －81．LIU Xiao-hu，ZHANG Tian-hao，WU Kui-hua．Design of combined medium frequency power inverter supply based on DSP［J］．Ship Science and Technology，2011(12):79－81．