電纜充氣設備的電源系統設計

閆靜靜， 趙艷雷， 王傳曉， 魏忠彩, 曹丹丹

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091)

電纜充氣是將空氣經干燥器除濕后形成高度干燥的空氣，通過設備將干燥的氣體介入電纜，使電纜保持一定的正氣壓，一旦電纜有空隙和漏洞,能使干燥氣體從縫隙中頂住濕氣或水分的侵入，以保持電纜干燥度，從而保證通信的傳輸質量.流量計是讀氣體每分鐘能通過多少流量的設備，而一般電纜有多股，本設計使用的開關電源要作用于10路流量計,因此要求其驅動功率大.

一般的成品開關電源一是散熱效果不好，會導致開關電源本身發熱，影響使用壽命；二是功率比較小，驅動10路流量計有困難.本文設計的開關電源具有功率大、散熱好的特點.由于反激式開關電源具有電路結構簡單,易于實現多路輸出,儲能電感和高頻變壓器一體,無需額外電感，體積小、成本低，轉換效率高，輸入輸出電氣隔離，可靠性高等優點，因此本設計選用反激式開關電源.圖1是電纜充氣的工作流程簡圖.

圖1 電纜充氣的工作流程簡圖

電纜充氣系統工作電源技術參數：輸入電壓220V，范圍220±20%；輸入頻率50Hz；輸出電壓電流5V/1A、12V/1A、-12V/1A供給每路流量計；工作溫度-35～80℃；輸出電壓精度≤1%.

本文設計的反激式開關電源系統整體架構如圖2所示[1].

圖2 反激式開關電源的整體架構

主要包括：前級保護電路、EMI濾波電路、整流電路、RCD鉗位電路、反激變換電路、輸出濾波電路、反饋電路、控制電路等[1].下面以開關電源各個部分展開計算.

1 反激式開關電源的基本工作原理

圖3是單端反激式變換器的原理結構圖，開關管T導通時,變壓器儲存能量,此時負載電流由輸出濾波電容C提供;開關管T斷開時,變壓器將存儲的能量送到負載及輸出濾波電容,來補償單獨提供負載電流時消耗的能量.通過改變輸出波形占空比就可控制輸出電壓.T關斷后的電壓為

(1)

只考慮電路工作在電流連續模式下時

(2)

峰值電流模式原理框圖如圖4所示.

圖3 反激式開關電源的基本工作原理圖

圖4 峰值電流模式原理框圖

PWM控制器及外電路構成雙環反饋控制系統.控制原理:給定電壓Ui與從輸出反饋回的電壓Ur進行比較,得到的電壓誤差Ue與經電阻采樣反映電流變化的信號Us進行比較,輸出一個可調節占空比的PWM脈沖信號,從而可使輸出電壓信號保持恒定.

2 反激式高頻變壓器設計

變壓器參數的設計對電源裝置的性能至關重要，其設計要求有：一、二次繞組電壓的變比應滿足要求值;當輸入電壓及占空比最大時，變壓器磁芯不能出現飽和;輸出功率最大時，變壓器溫升應在規范要求之內;應盡量使總損耗最低，獲得較高效率;一、二次側漏感、分布電容應限制在最小值[2].高頻變壓器設計主要有以下幾個步驟：

2.1 輸出和輸入功率計算

總輸出功率

Po=5×1+12×1+12×1=29W

(3)

總輸入功率

(4)

由于在設計時需要留出20%～50%的裕量,取為30%.可計算得輸出功率為37.7W,輸入功率為47.12W.

2.2 最小和最大直流輸入電壓及電流計算

UAC(min)、UAC(max)分別是交流輸入最小和最大電壓值[1]，分別取220-20%、220+20%.

整流濾波后最小輸入電壓

(5)

整流濾波后最大輸入電壓

(6)

代入可得Uin(min)=208.86V，Uin(max)=373.3V.

(7)

(8)

2.3 最大占空比計算

最大占空比

(9)

VOR取110V，VDS為開關管導通時的壓降取為10V[1]，可得Dmax=0.36.

2.4 峰值電流和平均電流計算

峰值電流

(10)

平均電流

(11)

KRP為波形系數，取1代入后得到IPK=0.83A，IAVG=0.19A.

2.5 磁芯選擇

選擇磁芯時，要根據功率選擇磁芯大小;磁芯形狀要結合整機板的布局;磁芯材質根據環境、開關頻率選擇;磁芯形狀要考慮變壓器加工工藝要求;還要考慮材料成本.本論文選擇AP法，經計算查閱技術手冊，磁芯型號選區EE-28，磁芯有效面積Ae=12.1，材質選用PC40型.

2.6 高頻變壓器初級電感

(12)

將前文已經確定的數值代入可得到Lp=1.812mH.

2.7 氣隙計算

氣隙存在可以減少磁芯里直流成分所產生的磁通.計算如下：

(13)

式中μ0為氣隙磁導率，代入可得到lg=0.33mm.

2.8 初級繞組和次級繞組匝數

初級繞組使用雙層絕緣線,還要考慮導線中的趨膚效應：

(14)

BW=0.25T，ton=0.36/50×10-3=7.2μs，代入上式可得到NP=78匝.

初級繞組和次級繞組匝比[3]

(15)

當Uo=-12V時，有n1=0.187，Ns1=0.187×78=14.59，取15匝.

當Uo=12V時，有n2=0.187，Ns2=0.187×78=14.59，取15匝.

當Uo=5V時，有n3=0.097，Ns3=0.097×78=7.57，取8匝.

3 反激式開關電源主電路中其它元件參數選擇與設計

3.1 EMI濾波器設計

電磁干擾濾波器(EMI)是低通濾波器，只允許正常工作頻率信號進入設備，而對高頻干擾信號有較大阻礙作用，能有效地抑制電網噪聲，提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性，其基本電路如圖5所示.

圖5 電磁干擾濾波器的基本電路

電路中包括共模扼流圈L1、濾波電容C1、C2、CY1、CY2 .L1對串模干擾不起作用，但對共模信號呈現很大的感抗.C1、C2主要用來濾除串模干擾.CY1、CY2跨接在輸出端，并將電容器的中點接地，能有效抑制共模干擾.

共模電感計算：

(16)

設截止頻率f0=50kH，選定配套電容C=C3=C4=100pF，代入上式得到L1=10mH.

輸入濾波電容的容量計算公式為[4]

(17)

式中：tC為整流橋的響應時間，取為0.3ms；UAC(min)為輸入交流電壓最小值；Uin(min)為整流后最小直流電壓.代入數值后可得到Cin=30μF.

3.2 整流橋設計

Id=(0.6～0.7)I1RMS=0.174～0.203A

(18)

出于安全考慮，本設計采用2W/10型整流橋GBL205.

3.3 緩沖電路設計

MOS管由導通到截止時，會產生尖峰電壓和感應電壓，可能損壞MOS或造成MOS硬開通，產生不良后果，為了電路安全可靠運行，本設計采用RCD

吸收回路，如圖6所示.

圖6 緩沖吸收電路

設鉗位電容最大電壓UC(max)，0.9是降額使用系數[1].

UC(max)=0.9UDS(max)-Uin(max)

(19)

UDS(max)=

Uin(max)+(1.4×1.5×VOR)+20

(20)

代入數據可得到UDS(max)=624.3V,UC(max)=188.57V.

鉗位電阻RC[1]：

(21)

式中：lK為變壓器漏抗，取62.4uH；fs為電源頻率，代入數值得到RC≈33kΩ.

(22)

取鉗位電壓5%～10%為脈動電壓ΔUC(max),代入得到CC=6nF，電容耐壓值為800V.

3.4 保護電路設計

輸入端保護電路是為了整個電源的安全設計的(如圖5所示).其中FU是熔斷絲，RT1是負溫度系數熱敏電阻器，熔斷絲采用 4A/250V熔斷管，負溫度熱敏電阻選用 NTC10D-11，其中熔斷絲起過流保護作用，負溫度系數熱敏電阻器可進行通電瞬間的過流保護.

4 開關電源控制部分設計

選用UC3843為控制芯片.UC3843是新型電流型脈寬調制集成電路，可產生脈寬可調頻率固定的脈沖輸出，推動開關功率管導通和截止，電源兼反饋繞組的控制電壓輸入UC3843的誤差放大器，與基準電壓比較產生控制電壓，控制輸出脈寬的占空比，從而達到穩壓目的.

4.1 功率開關管的選擇

一般的MOSFET耐壓值滿足[5]

70%VDS>Vf+Vin max=100.8V

(23)

式中Vf為反射電壓.流過開關管的平均電流為

(24)

綜合考慮，選用場效應管MOSFET-K3115B.

4.2 開關管驅動電路設計

圖7 開關管驅動電路

圖7是MOS驅動原理圖,驅動電阻R10的確定[5]：

tr=2.2R10Ciss

(25)

式中tr為MOS驅動上升時間，Ciss為MOS柵源電容，Ciss=770pF，tr<150ns,可得到R10<88.5Ω,因UC3843最大驅動電流為1A，滿足

(26)

因此選擇R10=20Ω.

4.3 啟動電阻設計：

輸入欠壓鎖定電路的開啟電壓為16V，關斷電壓為10V，僅當V>16V時芯片才能啟動，此時芯片工作電流僅1mA，自饋后變為15mA.當輸入欠壓時，功率管關斷.

本設計要求輸入的交流電壓最低176V，為了保證滿載時能在最低輸入電壓正常啟動，一般取2倍的最低輸入電流.因UC3843的正常啟動電流是0.3mA，可以得到[6]

(27)

(28)

據此設計采用3個串聯的100kΩ電阻作為UC3843的啟動電阻.

4.4 反饋電路設計

電路中R11的取值要考慮參考輸入端電流，查手冊此電流為1.5μA,為避免噪聲的影響,通常取流過電阻R11的電流為參考輸入端電流的100倍以上[7].因此

(29)

取R11=20kΩ.

D4的工作電流在1～100 mA之間,當R7的電流接近零時,必須保證電流至少為1 mA ,所以

(30)

發光二極管正向壓降Uf取1.2V.

反饋調節電路由10kΩ電阻和5kΩ的可調電阻組成，通過調節反饋電阻改變占空比，使輸出電壓接近所需設定值.

4.5 開關頻率選擇

對于UC3843，其頻率計算公式為[8]

(31)

取R14=10k，C32=4500pF，得到本電源開關頻率約為50kHz，UC3843工作頻率可達500kHz.

4.6 過流保護電路

R5為過流檢測電阻，初級線圈中的電流在R5上的電壓加到過流檢測比較器的同相端，與反相端的誤差電壓比較，進而控制輸出脈沖的占空比.只要VR5達到1V，比較器就翻轉，輸出高電平，將PWM鎖存器置零，PWM關斷，從而實現過流保護.

圖8為上電時UC3843的6腳Drv端輸出驅動電壓和3腳Is端電流檢測波形,仿真結果表明符合設定的性能指標.開關電源圖如圖9所示.

圖8 Drv和IS波形

圖9 開關電源原理圖

開關電源通過26引腳的連接器向10路流量計供電，其中+5V給單片機3TM32F-103CBT6供電，±12V給流量計電路供電.

5 測試結果

圖10為空載時的輸出電壓測試波形，分別為+5V、+12V、-12V電壓波形.

空載時，5V輸出為4.9712V，12V輸出為11.863V，-12V輸出為-11.883V，三路輸出電壓正常穩定，各路電壓都有較高準確度，說明選取的各參數符合要求.

圖10 空載時各路輸出電壓波形

為了驗證開關電源帶負載時輸出電壓仍能保持穩定，以5V輸出為例，在5V輸出端加一合適電阻，測得電壓波形圖11所示.可看到此開關電源在有負載的情況下輸出電壓仍能保持穩定.

圖11 帶載時5V電壓輸出波形

經過上機調試，此開關電源能夠驅動10路流量計，并使之正常工作.

6 結束語

開關電源高頻、高效、高功率密度、高功率因數、高可靠性的特性使它具有更強的競爭力.本文通過采用UC3843對電纜充氣設備用反激式開關電源進行了較為詳細的設計，并給出了電源設計一般流程及設計過程中的注意事項，對電源設計者具有一定的參考價值.

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