电缆充气设备的电源系统设计

闫静静， 赵艳雷， 王传晓， 魏忠彩, 曹丹丹

(山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255091)

电缆充气是将空气经干燥器除湿后形成高度干燥的空气，通过设备将干燥的气体介入电缆，使电缆保持一定的正气压，一旦电缆有空隙和漏洞,能使干燥气体从缝隙中顶住湿气或水分的侵入，以保持电缆干燥度，从而保证通信的传输质量.流量计是读气体每分钟能通过多少流量的设备，而一般电缆有多股，本设计使用的开关电源要作用于10路流量计,因此要求其驱动功率大.

一般的成品开关电源一是散热效果不好，会导致开关电源本身发热，影响使用寿命；二是功率比较小，驱动10路流量计有困难.本文设计的开关电源具有功率大、散热好的特点.由于反激式开关电源具有电路结构简单,易于实现多路输出,储能电感和高频变压器一体,无需额外电感，体积小、成本低，转换效率高，输入输出电气隔离，可靠性高等优点，因此本设计选用反激式开关电源.图1是电缆充气的工作流程简图.

图1 电缆充气的工作流程简图

电缆充气系统工作电源技术参数：输入电压220V，范围220±20%；输入频率50Hz；输出电压电流5V/1A、12V/1A、-12V/1A供给每路流量计；工作温度-35～80℃；输出电压精度≤1%.

本文设计的反激式开关电源系统整体架构如图2所示[1].

图2 反激式开关电源的整体架构

主要包括：前级保护电路、EMI滤波电路、整流电路、RCD钳位电路、反激变换电路、输出滤波电路、反馈电路、控制电路等[1].下面以开关电源各个部分展开计算.

1 反激式开关电源的基本工作原理

图3是单端反激式变换器的原理结构图，开关管T导通时,变压器储存能量,此时负载电流由输出滤波电容C提供;开关管T断开时,变压器将存储的能量送到负载及输出滤波电容,来补偿单独提供负载电流时消耗的能量.通过改变输出波形占空比就可控制输出电压.T关断后的电压为

(1)

只考虑电路工作在电流连续模式下时

(2)

峰值电流模式原理框图如图4所示.

图3 反激式开关电源的基本工作原理图

图4 峰值电流模式原理框图

PWM控制器及外电路构成双环反馈控制系统.控制原理:给定电压Ui与从输出反馈回的电压Ur进行比较,得到的电压误差Ue与经电阻采样反映电流变化的信号Us进行比较,输出一个可调节占空比的PWM脉冲信号,从而可使输出电压信号保持恒定.

2 反激式高频变压器设计

变压器参数的设计对电源装置的性能至关重要，其设计要求有：一、二次绕组电压的变比应满足要求值;当输入电压及占空比最大时，变压器磁芯不能出现饱和;输出功率最大时，变压器温升应在规范要求之内;应尽量使总损耗最低，获得较高效率;一、二次侧漏感、分布电容应限制在最小值[2].高频变压器设计主要有以下几个步骤：

2.1 输出和输入功率计算

总输出功率

Po=5×1+12×1+12×1=29W

(3)

总输入功率

(4)

由于在设计时需要留出20%～50%的裕量,取为30%.可计算得输出功率为37.7W,输入功率为47.12W.

2.2 最小和最大直流输入电压及电流计算

UAC(min)、UAC(max)分别是交流输入最小和最大电压值[1]，分别取220-20%、220+20%.

整流滤波后最小输入电压

(5)

整流滤波后最大输入电压

(6)

代入可得Uin(min)=208.86V，Uin(max)=373.3V.

(7)

(8)

2.3 最大占空比计算

最大占空比

(9)

VOR取110V，VDS为开关管导通时的压降取为10V[1]，可得Dmax=0.36.

2.4 峰值电流和平均电流计算

峰值电流

(10)

平均电流

(11)

KRP为波形系数，取1代入后得到IPK=0.83A，IAVG=0.19A.

2.5 磁芯选择

选择磁芯时，要根据功率选择磁芯大小;磁芯形状要结合整机板的布局;磁芯材质根据环境、开关频率选择;磁芯形状要考虑变压器加工工艺要求;还要考虑材料成本.本论文选择AP法，经计算查阅技术手册，磁芯型号选区EE-28，磁芯有效面积Ae=12.1，材质选用PC40型.

2.6 高频变压器初级电感

(12)

将前文已经确定的数值代入可得到Lp=1.812mH.

2.7 气隙计算

气隙存在可以减少磁芯里直流成分所产生的磁通.计算如下：

(13)

式中μ0为气隙磁导率，代入可得到lg=0.33mm.

2.8 初级绕组和次级绕组匝数

初级绕组使用双层绝缘线,还要考虑导线中的趋肤效应：

(14)

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

初级绕组和次级绕组匝比[3]

(15)

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

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

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

3 反激式开关电源主电路中其它元件参数选择与设计

3.1 EMI滤波器设计

电磁干扰滤波器(EMI)是低通滤波器，只允许正常工作频率信号进入设备，而对高频干扰信号有较大阻碍作用，能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，其基本电路如图5所示.

图5 电磁干扰滤波器的基本电路

电路中包括共模扼流圈L1、滤波电容C1、C2、CY1、CY2 .L1对串模干扰不起作用，但对共模信号呈现很大的感抗.C1、C2主要用来滤除串模干扰.CY1、CY2跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效抑制共模干扰.

共模电感计算：

(16)

设截止频率f0=50kH，选定配套电容C=C3=C4=100pF，代入上式得到L1=10mH.

输入滤波电容的容量计算公式为[4]

(17)

式中：tC为整流桥的响应时间，取为0.3ms；UAC(min)为输入交流电压最小值；Uin(min)为整流后最小直流电压.代入数值后可得到Cin=30μF.

3.2 整流桥设计

Id=(0.6～0.7)I1RMS=0.174～0.203A

(18)

出于安全考虑，本设计采用2W/10型整流桥GBL205.

3.3 缓冲电路设计

MOS管由导通到截止时，会产生尖峰电压和感应电压，可能损坏MOS或造成MOS硬开通，产生不良后果，为了电路安全可靠运行，本设计采用RCD

吸收回路，如图6所示.

图6 缓冲吸收电路

设钳位电容最大电压UC(max)，0.9是降额使用系数[1].

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

(19)

UDS(max)=

Uin(max)+(1.4×1.5×VOR)+20

(20)

代入数据可得到UDS(max)=624.3V,UC(max)=188.57V.

钳位电阻RC[1]：

(21)

式中：lK为变压器漏抗，取62.4uH；fs为电源频率，代入数值得到RC≈33kΩ.

(22)

取钳位电压5%～10%为脉动电压ΔUC(max),代入得到CC=6nF，电容耐压值为800V.

3.4 保护电路设计

输入端保护电路是为了整个电源的安全设计的(如图5所示).其中FU是熔断丝，RT1是负温度系数热敏电阻器，熔断丝采用 4A/250V熔断管，负温度热敏电阻选用 NTC10D-11，其中熔断丝起过流保护作用，负温度系数热敏电阻器可进行通电瞬间的过流保护.

4 开关电源控制部分设计

选用UC3843为控制芯片.UC3843是新型电流型脉宽调制集成电路，可产生脉宽可调频率固定的脉冲输出，推动开关功率管导通和截止，电源兼反馈绕组的控制电压输入UC3843的误差放大器，与基准电压比较产生控制电压，控制输出脉宽的占空比，从而达到稳压目的.

4.1 功率开关管的选择

一般的MOSFET耐压值满足[5]

70%VDS>Vf+Vin max=100.8V

(23)

式中Vf为反射电压.流过开关管的平均电流为

(24)

综合考虑，选用场效应管MOSFET-K3115B.

4.2 开关管驱动电路设计

图7 开关管驱动电路

图7是MOS驱动原理图,驱动电阻R10的确定[5]：

tr=2.2R10Ciss

(25)

式中tr为MOS驱动上升时间，Ciss为MOS栅源电容，Ciss=770pF，tr<150ns,可得到R10<88.5Ω,因UC3843最大驱动电流为1A，满足

(26)

因此选择R10=20Ω.

4.3 启动电阻设计：

输入欠压锁定电路的开启电压为16V，关断电压为10V，仅当V>16V时芯片才能启动，此时芯片工作电流仅1mA，自馈后变为15mA.当输入欠压时，功率管关断.

本设计要求输入的交流电压最低176V，为了保证满载时能在最低输入电压正常启动，一般取2倍的最低输入电流.因UC3843的正常启动电流是0.3mA，可以得到[6]

(27)

(28)

据此设计采用3个串联的100kΩ电阻作为UC3843的启动电阻.

4.4 反馈电路设计

电路中R11的取值要考虑参考输入端电流，查手册此电流为1.5μA,为避免噪声的影响,通常取流过电阻R11的电流为参考输入端电流的100倍以上[7].因此

(29)

取R11=20kΩ.

D4的工作电流在1～100 mA之间,当R7的电流接近零时,必须保证电流至少为1 mA ,所以

(30)

发光二极管正向压降Uf取1.2V.

反馈调节电路由10kΩ电阻和5kΩ的可调电阻组成，通过调节反馈电阻改变占空比，使输出电压接近所需设定值.

4.5 开关频率选择

对于UC3843，其频率计算公式为[8]

(31)

取R14=10k，C32=4500pF，得到本电源开关频率约为50kHz，UC3843工作频率可达500kHz.

4.6 过流保护电路

R5为过流检测电阻，初级线圈中的电流在R5上的电压加到过流检测比较器的同相端，与反相端的误差电压比较，进而控制输出脉冲的占空比.只要VR5达到1V，比较器就翻转，输出高电平，将PWM锁存器置零，PWM关断，从而实现过流保护.

图8为上电时UC3843的6脚Drv端输出驱动电压和3脚Is端电流检测波形,仿真结果表明符合设定的性能指标.开关电源图如图9所示.

图8 Drv和IS波形

图9 开关电源原理图

开关电源通过26引脚的连接器向10路流量计供电，其中+5V给单片机3TM32F-103CBT6供电，±12V给流量计电路供电.

5 测试结果

图10为空载时的输出电压测试波形，分别为+5V、+12V、-12V电压波形.

空载时，5V输出为4.9712V，12V输出为11.863V，-12V输出为-11.883V，三路输出电压正常稳定，各路电压都有较高准确度，说明选取的各参数符合要求.

图10 空载时各路输出电压波形

为了验证开关电源带负载时输出电压仍能保持稳定，以5V输出为例，在5V输出端加一合适电阻，测得电压波形图11所示.可看到此开关电源在有负载的情况下输出电压仍能保持稳定.

图11 带载时5V电压输出波形

经过上机调试，此开关电源能够驱动10路流量计，并使之正常工作.

6 结束语

开关电源高频、高效、高功率密度、高功率因数、高可靠性的特性使它具有更强的竞争力.本文通过采用UC3843对电缆充气设备用反激式开关电源进行了较为详细的设计，并给出了电源设计一般流程及设计过程中的注意事项，对电源设计者具有一定的参考价值.

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