一种除尘电源控制板的AC/DC电路设计

2018-10-21 12:27朱浩亮
科技信息·中旬刊 2018年9期
关键词:稳压开关电源

摘要:本文设计了一个宽输入范围的直流稳压电路。该电路由BUCK电路、反馈电路、PWM波形發生电路组成。本文在分析主电路工作原理基础上,根据性能要求对电路各个环节的元件进行了参数计算与选型,并据此制作了实验样机,对样机展开了调试和空载-负载实验。本文介绍了调试实验过程并给出了详细的实验波形和实验结果分析。本文分析结果表明,该电路结构简单,在输入交流电压出现2.5%波动条件下能保持24V直流输出。该电源作为除尘电源的控制板中作为辅助供电使用,实验证明该电路运行性能稳定可靠。

关键词:Buck电路;PWM;稳压;电压反馈;开关电源

引言

开关电源在电子设备应用方面涉及范围极广,且在未来具有极大的发展空间。在电子产品中,有绝大部分都是不可以直接使用市电压的,只能使用低压直流电作为输入,这就引出了恒压转换电源的设计,恒压电源可以有效的将市交流电转换成电子产品所需的低压直流电,不同的电子产品对电源的要求也不一样,但是大多常见的电子产品都对电压有特定的要求,本设计研究的电源作为除尘电源控制板的供电部分使用,所以本次设计的恒压电源要求输出电压稳定在一定的范围内。

1.硬件设计

1.1系统框图

系统电路由降压电路,整流电路,滤波电路,Buck电路,二次滤波电路以及分压反馈电路等几个主要的模块构成,如图1所示:

1.2降压变压器选择

大本设计以Buck电路为主电路,以TL494脉宽信号发生芯片作为电路控制芯片,PWM控制信号经过IR2104S芯片搭建的驱动电路作用于IRF540N功率开关晶体管。电路中存在两种不同电压等级的工作电压,即芯片的工作电压以及主电路的工作电压;芯片的额定工作电压为12-15V,主电路的额定工作电压为25-35V。交流电经过桥式整流以及滤波后,其整流后直流电电压。依据该公式可得变压器二次侧输出交流电压有效值为24V时,主电路就处于正常工作电压范围。芯片工作电压可用LM2576稳压芯片提供,该芯片的最大工作电压是37伏。本设计电路的额定输出电流为2A的电流,算上附加在线路上的损耗以及外围电路的损耗估算出该变压器的容量为75VA。

1.3 整流滤波电路的设计

本设计采用桥式整流电路。桥式整流可以使变压器的利用率得到最大化,整流后的直流电压波纹相对于半波整流更小。在图2所示中,当交流电压波形在正半轴时,D2和D3都受到正向电压而导通,和负载形成回路供电,而D1和D4都受到反向电压的作用而截止;当交流电压波形在负半轴时,D2和D3都受到反向电压作用而截止,但是D1和D4都受到正向电压作用而导通,形成新的回路为负载供电;该电路的输出电压波形经过对比全波整流输出电压波形图可以看出,桥式整流电路输出的电压波形和全波整流电路输出的电压波形一样。

1.4 控制电路及驱动电路的设计

TL494脉冲发生芯片是一种电压控制型芯片,其反馈电路简单,外围电路简单,工作可靠。本设计的控制电路如图3所示,TL494的引脚1和引脚2以及引脚15和引脚16为误差比较器的输入端,引脚3为反馈信号输入端;引脚13为输出方式设定信号输入端,当该引脚接地的时候,内部两个输出晶体管并联工作,输出电流最大可达400mA,输出波形最大占空比为96%,本设计将该引脚接地工作,使得输出波形占空比调节范围更加大。Buck电路采用IR2104S作为驱动芯片,该芯片外围电路比较简单,如图4为该电路的典型应用场合。

1.5 辅助电源电路的设计

考虑到主电路整流滤波后得到的电压在25V-35V范围内,而控制电路的额定工作电压是9 -15V,本设计采用 LM2576作为变换芯片,该芯片工作效率比较高,其设计如图4所示,该电路极为简单,芯片的管脚1为正极输入引脚,管脚3为公共负极,管脚4为反馈输入引脚,是调节输出电压的引脚,管脚5为芯片工作开关引脚,为了使得电路通电后该芯片就开始工作,所以该引脚与3号公共负极引脚相连。管脚2为输出正极引脚,其中输出端上所接的电感L和电容C0组成输出低通滤波电路,二极管D用来续流。

1.6 功率模块主电路的设计

根据上述设计了主模块电路如图5所示。图中开关晶体管Q1和开关晶体管Q2不能同时导通,不然电路会出现短路故障,但本次设计选用的是IR2104S驱动芯片,这个芯片可以将一个PWM脉冲信号分成两个放大且反向的脉冲信号,两者之间不会同时处于高电平或者同时处于低电平,使得两个开关晶体管一直处于交替工作的状态。当开关晶体管Q1导通的时候,输出电路与电源电路接通,这时候,电源电路给负载供电,同时给电感L1和电容组C1、C2和C3充电;当开关晶体管Q2导通时,开关晶体管Q1关断截止,电源电路和输出电路断开,这时候电感L1和电容组C1、C2和C3对负载进行放电,通过开关晶体管Q2和负载之间形成一个新的供电回路,二次滤波电路由电感和电容组成,它的作用是减小输出波纹,分压反馈电路主要是在输出上采样得到一个电压信号,作为调节PWM脉冲信号占空比的输入信号。

3.系统硬件制作及测试设计

3.1 整流滤波电路的测试

安照第二小节所述的电路设计制作整流滤波稳压部分硬件,以交流24V作为测试用输入电压,示波器测试如图6所示,从图中可以看出整流后脉动成分大部分已经被滤波电容滤去,而经过稳压管后输出电压基本比较稳定,可以保证后续控制电路供电。

3.2 PWM控制及驱动电路的测试

从上述波形图中可以分析其控制芯片都能够正常工作,图7为空载时候波形图,当加上负载时可以明显观察出PWM信号占空的变化,因此可以初步判断其正常工作,并且反馈控制也得到体现。

4 实物效果及测试

本设计采用10欧姆的的金属康铜电阻作为额定测试负载,测试效果如下图8所示,测量模块采用市用电压表头,从测试效果图中可以观察到输出电压稳定在24V,并且从电压表头的观察中也可以看出其电压跳动在±0.5V以内,可以初步判断其纹波小于2.1%。此时通过计算得到电源输出功率为57W,已经满足了设计要求可以作为除尘电源控制板的辅助电源供电使用。

参考文献:

[1]孙肖子主编.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2012.12.

[2]司明.一种开关电源PWM控制电路设计[D].辽宁大学,2013.04.01.

[3]潘永雄主编.开关电源技术与设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2016.02.

[4]梁奇峰主编.开关电源原理与分析[M].北京:机械工业出版社,2012.10.

[5]陈潇,蒋鼎国.基于TL494器件反馈控制的Buck降压电路的设计[J].变频器世界,2017,第3期:81-83.

作者简介:

朱浩亮(1986-),男,浙江永康人,汉族,硕士,讲师,主要研究领域:电子技术和嵌入式系统;

项目基金:

该设计为本人研究生课题(高压除尘电源)子课题,为控制板部分供电电路。

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