国产化2kW高压恒流电源的设计

常伯仪

（天津力神特种电源科技股份公司，天津 300384）

0.引言

恒流电源在电力拖动、半导体器件检测、便携式移动设备等工业医疗领域均有广泛的应用，本设计所实现的是一种采用动力电池电源作为输入源，完成电压变换，实现恒流输出功能的高压恒流电源。并具有通过CAN总线受控于外部控制电路组件，实现开启、关闭输出，以及电流输出强度设置，工作状态读取等控制功能。

1.电路功能模块划分及主拓扑功工作原理块介绍

通过对设计需求及应用场景的具体分析，电源的技术特征主要有输入输出隔离、恒流可调、100%国产化、高可靠性、散热无风扇、中等功率输出等。电路的主要功能是将输入直流电转换为系统需要的可调直流恒流源，同时电源具备CAN通信以及完善的保护功能，难点在于如何在100%国产化器件的要求下，实现能够可靠运行且具有较高能量转换效率[1]。为了实现这些功能，产品采用模块化设计思路，总共由主功率模块、控制电路模块和辅助电源模块3个功能模块组成，内部功能组成框图如图1所示。

图1 功能组成框图

1.1 主功率模块

主功率模块的功能是进行电压电流变换以及功率传输，主要由输入滤波、尖峰抑制及防浪涌电路、DC/DC变换器、驱动电路、防反接与防反流电路、输出滤波电路等部分组成。

1.2 控制电路模块

控制电路的主要功能是实时监控主电路工作状态，动态调整反馈环路，保障主电路能够按照设定值准确可靠的运行，同时控制电路还要完成内部自检、对外通信等功能。控制电路的组成包括正激PWM控制电路、电压电流信号调理电路、通信电路、MCU控制系统电路等部分组成。

1.3 辅助电源模块

辅助电源的主要功能是为控制电路模块以及主功率模块提供稳定可靠的低压电源。为了提高内部辅助电源的可靠性，该部分电路采用主从供电方式，由高压输入变换得到的辅助电源作为主要辅助电源，由低压输入变换得到的辅助电源作为后备电源，后备电源通过二极管连接到主要辅助电源上。正常工作时内部控制模块供电由主要辅助电源提供，当主功率模块发生故障、主辅助电源发生故障或是高压输入消失时，内部辅助电源由后备电源提供。

2.主功率模块

能够实现该型电源需求的拓扑多种多样，每一种拓扑都有自己的优缺点，本设计把完全国产化及高可靠性作为最主要的选择标准，选择交错并联双管正激电路来设计该型电源。图2是主电路拓扑结构，主控芯片采用EG3846 PWM控制器由深圳深圳屹晶微电子生产。

图2 主功率原理图（交错并联双管正激拓扑）

2.1 开关频率选择

较高开关频率会使磁性元器件及电容的体积下降，重量降低，但是较高的开关频率会带来较大的开关噪声。本方案中该型恒流电源的开关频率选择100kHz。由于交错并联双管正激的拓扑优势，副边电感和电容的工作频率为200kHz，这样在保证相对较小的开关噪声下，可以获得相对较小的体积重量[2]。

2.2 变压器计算选型

2.2.1 确定变压器匝比

取最大占空比为0.45，副边二极管管压降为0.8V，计算过程如下：

经过计算，变压器匝比至少为1:0.85，结合变压器绕制的工程需要，取变比为1:1。

2.2.2 确定磁芯

磁芯选择采用KG法，经过迭代计算，磁芯选择东磁的ECW64平面磁芯作为功率变压器磁芯，磁芯材质为DMR44。

2.2.3 变压器工程方案

为了尽可能提高功率密度，减少体积，本设计方案采用平面变压器方案。原副边绕组出线单独引出，磁芯外层加金属屏蔽导热罩，兼顾散热与电磁兼容要求。

由于采用交错并联拓扑，每一相只承担一半的输出功率，计算MOS管电流的峰值、平均值、有效值，根据拓扑特性确定MOS管耐压。计算过程如下：

根据上述计算，按照元器件降额标准（SⅠ，TⅠ），在综合对比了几家国产MOS管厂家的产品后，选择龙腾半导体的LSB65R041GF产品作为主开关管，为了进一步提高效率，采用双管并联方式。

3.控制电路模块

3.1 控制电路概述

控制电路的组成包括供电电路、正激PWM控制电路、电压电流信号调理电路、通信电路、MCU控制系统电路等部分，如图3所示。

图3 控制电路框图

3.2 微处理器电路

微处理器电路采用国产GD32系列单片机实现，主要用于控制信号采集，接收处理通信模块发出的指令，并对配置信息，状态信息等进行存储，同时完成AD模拟量采集、自检、保护等功能。单片机作为主处理器，完成数据交换，接收/执行指令，存储等功能，为了进一步增强功率模块的容错能力和可靠性，设计了看门狗电路。处理器电路如图4所示。

图4 处理器电路

4.结论

通过实际电路组装调试，该电路具有体积小、重量轻、可靠性高等特点，选用低功耗特性的控制器件，自身消耗的电流较低，且利用其智能化特性可替代许多分立器件，有利于进行电源管理、满足智能化特性及提高产品的可靠性等特点。通过分析产品的功耗分布，选用低电压、低功耗的器件代替功耗较大的器件；在产品设计中，选用的逻辑电路、单片机及外围电路等均为CMOS工艺的低功耗器件，相对于TTL工艺的此类器件，是降低产品功耗最直接的办法。既满足低功耗设计又满足高精度高速度的设计，产品的各项功能和性能指标均满足设计指标要求。