仪用超宽输入电压范围AC/DC-DC开关电源研制

蒋荣慰 方 敏 徐科军

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)

仪用超宽输入电压范围AC/DC-DC开关电源研制

蒋荣慰 方 敏 徐科军

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)

提出采用由升压变换电路和反激变换电路组成的两级级联电路拓扑结构，研制应用于自动化仪表的超宽输入电压范围AC/DC-DC开关电源，使自动化仪表能够自动适应85～265V交流和18～100V直流电源供电，以方便现场应用，减少仪器损坏。该电源模块由输入保护滤波电路、升压变换电路、反激变换电路、辅助供电、控制电路和两路PWM调制电路组成。通过合理选择两级电路的拓扑结构和切换点以及辅助供电的来源和切换方式，提高开关电源的效率、增大输出功率。

电源 超宽输入电压范围 AC/DC-DC 升压变换电路 反激变换电路

电源模块是自动化仪表的重要组成部分，其作用是将外部提供的电源转换成自动化仪表工作所需要的直流电源。自动化仪表应用的场合非常广泛，其外部电源可能是电网提供的220V交流电，也可能是现场提供的24V直流电。为了满足应用需要，自动化仪表的电源模块被设计成两种形式，一种是将220V交流电转换成仪表所用的直流电，另外一种是将24V直流电转换成仪表所用的直流电。用户需要根据实际应用场合所提供的外部电源情况，来选择不同的电源模块。这样做不仅给用户使用带来不便，更为严重的是，当把具有直流转直流电源的自动化仪表的电源插头插到220V交流电源上时，仪表就会损坏。这种情况在现场时有发生。为此，一些国际公司在生产自动化仪表时，就配置了能够自动适应85～265V交流和18～100V直流电源供电的电源模块,例如，Micro Motion公司生产的1700/2700型变送器。当使用此类仪表时，就不需要区别现场提供的是220V交流电，还是24V直流电，非常方便和安全。但是，他们没有披露电源模块的具体技术细节。而国产自动化仪表中均没有这样的电源模块。要研制出这样一种AC/DC-DC电源存在的技术难题，主要是要自动适应85～265V交流和18～100V直流电源供电，输入电压范围太大，造成电路拓扑结构设计及器件选择困难等。

为此，笔者提出由两级变换电路组成级联电路的设计方案，研究两级电路合适的切换方式和切换点，研制宽范围输入电压(工频85～265V(AC)和18～100V(DC))和四路电压输出，将其应用于科氏质量流量计，并进行实验测试。

1.1 电路拓扑结构

该系统最低输入电压为18V(DC)、最高输入电压为265V(AC)，两者相差较大，使用单级电路拓扑难以使电路得到优化，必须采用由两级或者多级电路拓扑组成的级联电路。对于级联电路，为了保证系统的可靠性和高效性，还需要考虑合适的切换方式和切换点[1]。

笔者采用两级变换电路组成级联电路拓扑的方法。第一级电路采用升压变换电路拓扑，其结构简单、效率高、开关管驱动简单。第二级电路采用反激变换电路拓扑，其所需元器件较少、调试方便，并且适合小功率且有多路输出电压的开关电源。

在两级电路拓扑的切换方式下，采样输入电压，根据采样值判断是否需要将升压变换电路中的开关管一直关断。如果需要升压变换电路，其开关管正常工作；如果不需要，控制其开关管一直关断，就控制了升压变换电路不再起升压作用，也就完成了两级电路之间的可靠切换。由于升压变换电路中开关管接在低端，控制方便，也方便两级电路的切换。

在两级电路拓扑切换点的选择上，分析两级电路的特点，根据计算，选择切换点电压为60V(DC)。对于第一级升压电路来说，其输出电压越接近输入电压，电路转换效率就越高[2]。但是，对于第二级的反激变换电路来说，如果输入电压过低，将会导致变压器优化设计困难。并且，对于反激变换电路来说，为了防止磁芯饱和，设计电路最大占空比D要小于0.50，一般取0.45。反激变换电路占空比计算公式为：

其中，VIN为第二级变换电路输入电压，VO为输出电压，N为隔离变压器原边绕组NP与副边绕组NS的匝数比。根据设计，选择EFD2513磁芯，变压器原边绕组100匝，副边24V输出绕组50匝，则最小输入电压VIN为58.67V。结合实验，最终选择60V作为最小输入电压，即切换点电压。

使用此两级电路组成的级联电路解决了单级电路拓扑中开关管或者变压器难以优化设计的问题，使得控制电路输出的PWM波的占空比变化也小很多。两级电路之间进行切换的方法是通过电压检测比较电路控制升压变换电路中的PWM调制电路，使其处于正常工作状态或者锁存状态，这样避免了使用继电器切换[3]或者切断控制芯片电源等方法实现电路切换所带来的问题。两级电路之间的切换点电压是60V，这样可以使系统效率最高。

1.2控制方法

为了保证该超宽输入电压范围AC/DC-DC开关电源稳定、快速和可靠工作，采用双闭环控制，也就是电流模式控制方式。双闭环控制中的外环为电压环，内环为电流环，通过引入开关管电流构建内反馈环，能更快地反映输入电压的波动，从而迅速地调节参数，使系统快速进入新的稳态。输出电压经过电压检测后得到电压反馈量，然后与参考电压形成偏差，经电压误差放大后产生电流参考量，其中，电压调节采用PID调节方式。流过开关管的电流经过电流检测后得到电流反馈量，然后经过电流检测比较，再通过脉宽调制输出占空比可调的PWM波。该PWM波驱动升压变换电路和反激变换电路中的开关管，从而实现电源模块输出电压的精确控制[4]。电源控制原理框图如图1所示。

图1 电源控制框图

2 硬件研制

2.1硬件原理框图

该超宽输入电压范围AC/DC-DC开关电源的硬件原理框图如图2所示。主要由输入保护电路、EMI滤波电路、工频整流滤波电路、高频整流滤波电路、升压变换电路、反激变换电路、电压电流采样电路、PWM调制电路、辅助供电电源电路、电源切换电路、电压检测比较控制电路和光耦隔离电路组成。其中，输入保护电路用来防止短路引起电流过大以及发生雷击等情况导致的电压过冲。EMI滤波电路主要是对输入电源的电磁噪声和杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。整流滤波电路一方面用来将方向和大小都变化的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电，并将交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电；另一方面用来防止输入电压为直流电时正负端电压出现反接的情况[5]。电压检测比较控制电路用来检测输入电压并根据检测值大小来切换第一级电路。辅助供电电源电路用来给在电路上电瞬间的系统中的有源芯片供电。升压变换电路用来将输入的低电压升压到第二级电路的工作电压。反激变换电路作为第二级电路，用来给负载提供稳定的电压，并将输出电压和输入电压进行电气隔离。电压电流采样电路将采样电压和电流一并送入PWM调制电路，然后由PWM调制电路输出占空比不同的PWM波，控制两级电路的开关管。

图2 硬件原理框图

当输入电压为18～60V(DC)时，在理想情况下，通过整流滤波等电路后输出电压仍为该范围电压。这时，采样电路采样的电压值低于电压检测比较电路中设定的切换值，切换电路不动作，第一级升压变换电路选通，将此范围输入电压都升压到60V(DC)。该60V电压再经过第二级反激变换电路得到4路输出电压。

当输入电压为60～100V(DC)或者85～265V(AC)时，经过整流滤波等电路后得到60～370V(DC)。这时，采样电路采样的电压值高于电压检测比较电路中设定的切换值，切换电路动作。这时，第一级升压变换电路不工作，即升压变换电路中的PWM调制电路没有PWM波输出，升压变换电路中的开关管一直处于关断状态。则此范围输入电压直接通过第二级反激变换电路得到4路输出电压。

2.2控制电路

对于电压外环PID调节，其硬件电路原理如图3所示。电阻R1和R2采样输出电压VO，电阻R3与R1的比值决定P调节的参数，电容C1决定I调节的参数，电容C2决定D调节的参数。如果电阻、电容参数选择不合适就会导致环路不稳定，从而导致变压器产生振荡而发出响声。在调试过程中，P调节的参数选择在5～10左右，电容C1容值小于0.10μF，电容C2的值小于0.01μF。选择合适的R3、C1和C2值，保证在整个输入电压范围内，负载从10%～100%变化过程中，输出电压稳定，仪表正常工作，变压器没有响声。

图3 PID调节电路原理

2.3切换电路

该电源模块包括两个切换电路(图4)，一个是辅助供电电源切换电路，另一个是两级电路拓扑之间的切换电路。

图4 切换电路原理

在辅助供电电源切换电路中，辅助供电电源电路原理与常用的低压差线性稳压器(LDO)相同，其输入电压范围可以满足该电源输入范围要求，并且可以通过外接Q2来扩大其输出电流。设定电阻R4和R5的比值可以得到有源芯片的工作电压VCC，该电压维持电路启动。由于LDO效率较低，不能长时间供电，当电路完成启动并达到稳定后，由第二级反激变换电路变压器的辅助绕组产生电压VCC1加到二极管D1的阳极，当VCC1>VCC+1时，辅助供电电源电路中的U2自动关断，此时，电路中的有源芯片都通过VCC1来供电，这样也就完成了辅助供电电源切换过程。

在两级电路拓扑切换电路中，电阻R6和R7采样整流滤波后的输入电压，并将采样值送入比较器U3A。当采样值大于U3A的参考电压Vref时，比较器输出高电平，三极管Q3导通，Q3的集电极被拉低到低电平，从而控制升压变换电路中的控制芯片处于锁存状态，也就控制了升压变换电路中的开关管一直关断，这样就完成了两级电路之间的切换。

3 实验测试

为了评价所研制电源的性能指标，对电源进行了基本性能测试[6]。为了考核研制电源的实用性，将电源应用于科氏质量流量计，与国外仪表进行了对比实验，还进行了温度实验。

3.1基本性能测试

基本性能测试包括测试电源输出电压准确度、电压调整率和效率、负载调整率、输出电压纹波和效率，测试结果见表1。由表1可知，在24V(DC)和220V(AC)输入电压下，所研制电源的各项基本性能指标均达到了一般开关电源的要求。

表1 电源模块性能测试结果

3.2实用性考核

3.2.1对比实验

将研制的电源接入科氏质量流量变送器中，与美国Micro Motion公司的1700/2700型科氏质量流量变送器进行对比实验。在实验中，两种变送器均接同一台传感器进行工作。这样对电源来说，负载基本相同。

主要测试电源的瞬态性能。在上电瞬间，由于电源模块中电解电容和负载中电容相当于短路，电源模块需要外部电源提供较大的启动电流[7]。为此，分别测试在外部24V直流电源供电和220V交流电源供电的情况下，研制电源和美国Micro Motion公司科氏质量流量变送器电源的启动电流大小。在实验中，调节电路，使接入所研制电源的变送器产生的驱动传感器信号幅值与Micro Motion公司变送器的驱动信号幅值相同。用电流钳测量外部电源提供的电流，用示波器记录下来，测试结果见表2。

表2 电源启动电流测试结果

测试结果表明，在24V(DC)输入时，两个电源的启动电流相当；在220V(AC)输入时，笔者研制电源的启动电流比Micro Motion公司的1700/2700型变送器的电源启动电流小。较小的启动电流可以带来两个好处，一个是对外部供电电源功率需求小，另一个是防止浪涌电流对电源的影响。

3.2.2温度实验

研制电源将为科氏质量流量计供电，而科氏质量流量计在工业现场运行时，常常面临着各种高温条件的考验，因此，对研制电源进行高温测试[8]。根据科氏质量流量计在各种流量下的实际工作电流，用功率电阻来模拟电源的负载。由于变送器的信号处理板中还含有DSP及线性稳压器等发热器件，流量计在工作时，整个变送器系统温度还会升高，用科氏质量流量变送器作为研制电源的负载，进行温度实验。设定温箱温度为55℃，保温时间为4h。用接触式温度表检测仪表壳内温度，时刻观察DSP工作指示灯情况以判断DSP是否正常工作，测试数据见表3。

表3 电源模块温度测试数据

实验表明，在55℃高温下，笔者研制的电源仍然能正常工作；用作科氏质量流量计电源时，整个变送器温度均在芯片正常工作温度范围内，变送器能够正常工作。

4 结束语

笔者研制的超宽输入电压范围的AC/DC-DC开关电源，解决了国内自动化仪表没有宽范围输入开关电源的难题。设计了由升压变换电路和反激变换电路组成的两级式级联电路拓扑结构，选择两级电路之间的切换点电压为60V(DC)，并通过控制升压变换电路的工作与否，使电源能够在两级电路之间进行安全可靠的切换，符合更宽范围的输入电压要求。还设计了超宽输入电源的辅助供电电源电路和切换电路，在电路未达到稳定状态时，由辅助供电电源电路供电；当电路工作稳定后，通过电源供电切换电路将辅助供电电源切换掉，从而解决了启动芯片和启动电阻一直消耗功率的问题。

实验结果表明，该电源的输出电压准确度小于1%，输出电压纹波小于1%，电压调整率小于1%，负载调整率小于1%，额定负载下的效率在70%以上，启动电流与国外仪用电源相当，温度性能优越。

[1] 俞鹏.宽范围输入两级式DC/DC变换器的研究[D].重庆：重庆大学,2011.

[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004：27～40.

[3] 陈丹江，张伟，肖质红，等.一种超宽输入范围的开关电源的设计[J].电气自动化,2011，33(3):65～67.

[4] 朱其祥，胡乃红，周宇飞，等.并联电流模式Boost变换器分叉序列分析与研究[J].电测与仪表，2009，(10):1～5.

[5] 朱晓曲.基于UC3842的多端反激式开关电源的设计与实现[D].长沙：湖南大学,2013.

[6] 夏秀光.开关电源测试规范探讨[J].电源世界，2010,(3):44～45.

[7] 徐涛，吴迎霞，张红超，等.继电保护用开关电源的故障分析及改进[J].电力系统保护与控制，2010,38(10):135～137.

[8] 熊文军，方敏，徐科军.流量变送器耐高温对策[J].自动化仪表，2012,33(6):79～82.

(Continued on Page 110)

DevelopmentofAC/DC-DCSwitched-modePowerSupplywithSuper-wideInputVoltageRangeforProcessInstrument

JIANG Rong-wei, FANG Min, XU Ke-jun

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

A two-stage cascaded circuit topology which consisting of boost converter and flyback converter circuits was proposed and applied to develop AC/DC-DC switched-mode power supply with super-wide input voltage range for the process instrument so as to adapt the process instrument to 85～265V AC and 18～100V DC power supply and to facilitate their on-site application against any damage. This AC/DC-DC switched-mode power supply consists of an input protection and filter circuit, a boost converter circuit, a flyback converter cir-

TH862

A

1000-3932(2016)01-0062-06

2015-02-05