Sepic直流稳压器系统原理设计
eeskill 2022-09-30

电子设备正常工作需要良好稳定的直流电源,现如今大部分外部供电电源是交流电,通常由火力发电、水力发电、核子发电及风力发电获得。所得交流电源通过直流稳压器转换为电子设备所需各类别直流电源,供其使用。当电网或负载变化时,直流稳压电源能保持稳定的输出电压,且纹波较小凹。稳压电源自半个多世纪发展以来,技术已日趋成熟,近20年来,集成开关电源沿两个方向发展;第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。

第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。市场上稳压电源产品种类繁多,且大都满足效率高、输出稳定、可靠性高等特性。大多数采用高频变压器,其成本相对高。该直流稳压器采用Sepic 和Buck 电路为主电路,辅助电源采用高频变压器,充分利用现代电力电子技术,在满足可靠性、稳定性前提下,宽范围输人交流电源时输出稳定的直流电压,且成本相对低,易于调试及维修。

1、系统原理设计

交流输入电压经过输入保护电路中的整流滤波产生的高压直流既作为辅助电源的输入电压,进而提供芯片工作电 压;又是DC-DC/DC-DC 变换 器 的输人电压,DC-DC/DC-DC变换器是进行功率变换的器件,是开关电源的核心口2,DC-DC/DC-DC 变换器输出电压经过反馈电路进行取样与设定参考电压比较,调节PWM 占空比的大小,进而调节输出电压,使其保持稳定。输出带有过压过流保护电路,当电压电流过大时关断PWM 信号,无电压输出。其系统原理框图如图1所示。

2、输入保护电路的设计

输入保护部分主要有压敏电阻RV,热敏电阻RT,保险管,滤波线圈L0,和整流桥及滤波电容C16组成,压敏电阻RV 用于交流输入的过压保护,即浪涌吸收。滤波线圈LO 及电容CO 构成了EMI,滤除噪声干扰。选择整流桥器件时时,要考虑可承受足够的反向耐压,冲击电流要大于额定整流电流的7~10 倍。热敏电阻RT 是具有负温度特性(NTC)电阻,限制启动时C16 的充电电流峰值,启动过后,该电阻阻值会降到很小,其消耗的功率基本可忽略不计。其电路图如图2 所示。

3、辅助电源的设计

所设计的Sepic 直流稳压器正常工作时,需要为PWM 控制芯片及隔离驱动提供两路独立电源。辅助电源采用单端反激式电路,其控制性芯片采用PI 公司的TOPSwitch II 系列,该器件各集种控制功能、保护功能及耐压700V 的功率开关MOSFET于一体,具有前沿消隐设计,自动重启动功能,低电磁干扰性(EMI),电压型控制方式与逐周期峰值电流限制等显著特点。考虑到PWM 控制芯片和隔离芯片工作时功率较低,选用TOP221Y,在宽范围输入电源电压下,其功率输出为7W,足以满足要求。辅助电源的电路图如图2所示,原理分析所下:

交流电源通过全桥整流,电容滤波作为辅助电源的供电电源,CT1用于滤除干扰。在MOSFET 关断期间由于高频变压器漏感的存在其漏感电压很高,为保护变压器不受其损坏,在这里选择快恢复二极管VD1与瞬态抑制器TVS 组成钳位电路,用于吸收漏感电压,保护原理分析如下:当MOSFET 导通时,此时VD1两端电压为上正下负,VD1截止,钳位电路不工作; 当MOSFET 截止时,由于漏感存在,VD1两端电压变为上负下正,此时VD1导通,钳位保护电路工作,电压得到限制。反馈回路主要有光电耦合器PC817 与三端稳压器TL431及若干电阻、电容构成,线性光耦合器PC817 的电流传输比(CTR)范围为80%-160%,能较好地满足反馈回路的要求。电阻Rao.R3分压作为TL431基准电压,通过设定R3O、R4 的阻值可以得到所需输出电压的稳压值。GZ 作为TL431的频率补偿电容,可以提高TL431的瞬态频率响应。RSO 为PC817 的LED 限流电阻,起到限流保护的作用。反馈回路实现输出稳压的原理如下: 当输出电压发生波动,通过R3O、R43 分压得到的取样电压U10 使TL431的输出电压UK发生改变,进而控制PC817 的发光二极管(LED)的光照度,引起光敏三极管发射极电流成比例的变化,最后通过TOP221Y控制端电流变化来调节占空比发生与其相反的变化,达到稳定输出电压的目的,为电路提供稳定的辅助电源。

4、主电路模块的设计

直流斩波电路起到把一种直流电变化为另一种固定电压或可调电压的功能。应用领域可分为两类:一类是输出可变的直流电压;另一类是当电源电压或负裁变化时,都可以输出一个恒定的直流电压用。所设计的电源属于后者,其原理图如图3 所示:高压直流电压DCO 通过Sepic 电路可升降压的特点将变化的电压DCO( 183~425 V)稳定在DC1左右,并作为Buck 电路输入电压,设置合适的占空比得到输出电压DC2(24 V),斩波电路采用闭环反馈控制,交流供电电压或输出负载电阻变化时,稳压器输出电压都能保持稳定。两次DC-DC 变换都包括输入、输出滤波,电压纹波更小。功率管漏源极两端采用由无感电阻和电容组成的阻容吸收回路,吸收开关管的尖峰电压,起到保护功率管的作用。

5、PWM 控制电路设计

PWM 控制电路与DC-DC/DC-DC 变换器的性能密切相关,因而PWM 控制电路的设计尤为重要问。在此PWM 控制芯片选用美国硅通用半导体公司(Silicon General)的SG3525,具有内设置有欠压锁定电路,软启动电路,基准电压源,误差放大器,输出限流,和关断电路,图腾柱式输出级,振荡器及可调节的死区等特点,广泛应用于开关电源的设计中。SG3525外围电路如图4所示,分析如下。

选择德州仪器公司(TI)生产的TI431的参考电压作为2脚基准电压,输出PWM 控制信号稳定度高。R4、C2 构成1、9脚之间的反馈补偿网路,反馈电压UFB加到1脚,与2脚基准电压U7 比较,调节占空比的大小。14、11脚两路输出并用一路输出,使得变换器占空比可调范围扩大一倍。CU 为加速电容,加快功率管开通。10脚为关断信号引脚,SD 为高电平时,关断脉冲输出。将3脚接地,减少干扰。

6、光耦隔离驱动电路的设计

该稳压器频率高达100 K,采用高速光耦6N137 与三极管组成光耦隔离驱动电路对PWM 信号快速响应。隔离驱动外围电路如图5 所示,6N137 光耦输人与输出反向,因此输出加一PNP 管,使信号G1/G2 跟随输入PWM 变化,C3是0.1UF的去耦电容,加在6N137 光耦合器的电源管脚旁。在选择电容类型时,选择高频特性好的电容如陶瓷电容或钽电容。6N137 光耦合器的第6 脚VO器,输出电路属于集电极开路电路,必须上拉一个电阻Rz;6N137 光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED,必须串接一个限流电阻R34O。

7、反馈回路及过压、过流保护电路的设计

反馈电路由磁放大器隔离器与取样电阻R26.R31组成,、取样电压经过DCP010505B 隔离放大后得到电压UFB,一方面,此电压作为反馈电压加到SG3525 的1脚,与基准电压比较,决定输出占空比的大小,稳定输出电压;另作为过压保护电路的一方面加到误差放大器正向输入端,输入电压,过压保护电路采用跟随器与迟滞比较器构成,当输出电压大于设定门槛电压时,保护电路动作,发光二极管发亮,SD 为高电平,关断输出脉冲。过流保护电路由取样电阻、磁隔离放大器DCP、LM324 组成。取样电阻采用精密电阻,阻值比较小,磁隔离放大器采用DCP010512B,经过放大器将取样信号放大后,与基准电压比较,此后的保护动作与过压保护原理相同。

8、实验

该Sepic直流稳压器调试电路板分为辅助电源电路板、斩波主电路电路板,板子元件采用直插型,便于实验发现问题及时更换元件加以改正。并对其PWM 信号进行了测试并记录。

9、结论

Sepic 直流稳压器主电路是非隔离式设计,驱动信号可提供足够的驱动电流快速驱动MOSFET,且驱动电路结构简单可靠,该稳压器在满足输出电压可靠性、稳定性等要求下,体积、成本相对较小。

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