專利名稱：低壓供電多路輸出電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一種電源，具體涉及一種低壓供電的多路輸出電源。

背景技術：
在電子產品中，電源必不可少，但在大多數(shù)分布式電源系統(tǒng)、低壓供電系統(tǒng)中，開關電源目前廣泛使用的雙極型電壓控制型脈寬調制器，存在著外圍電路設計復雜、穩(wěn)定度低等缺點。


發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有調制器外圍電路設計復雜、穩(wěn)定度低的技術問題，本發(fā)明提供一種低壓供電的多路輸出電源。
本發(fā)明的技術方案如下 本發(fā)明提供的低壓供電的多路輸出電源包括濾波電路，功率轉換電路，輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器，采樣電路，反饋隔離電路，控制電路，以及自啟動和輔助電源電路，所述輸入電壓經濾波電路、功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器轉換為三路輸出電壓；或輸入電壓經功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，采樣電路，反饋隔離電路與控制電路連接；所述自啟動和輔助電源電路設置于濾波電路與控制電路之間；所述功率轉換電路經電流采樣與控制電路連接，所述控制電路產生驅動信號與功率轉換電路連接。
上述功率轉換電路為單端正激式變換電路；所述單端正激式變換電路輸出的一路為閉環(huán)，其它輸出為開環(huán)。
上述控制電路選為第三代CMOS技術的電流控制型脈寬調制電路。
上述單端正激式變換電路輸入電壓為8V～40VDC，輸出直流為+5V/3A，±15V/0.5A，+10V/0.5A。
本發(fā)明的優(yōu)點如下 1、該電源是基于某無人機型號要求研制的低壓供電多路輸出電源，它使用的BICOMS電流控制型脈寬調制器(PWM)比雙極型電壓控制型有明顯的優(yōu)勢。首先，降低了PWM啟動電流和工作電流、簡化了電路設計；第二，由于BICOMS的高速性，從而減小了關斷MOSFET的時間延遲，提高了電源的可靠性；第三，由于先進的前沿消隱技術，降低了噪聲敏感度。同時輸出端采用的耦合電感與獨立電感相比，除減小體積、重量外，還提高了負載動態(tài)性能和交叉調節(jié)性能，減小了紋波。該電源達到的性能，在國內外同類產品中處于領先地位。目前已廣泛應用于我所研制配套的機載、彈載各系列計算機中。其設計合理、實用性高、易于推廣應用。
2、該電源采用BICMOS電流控制型技術，大大簡化了電路的設計，降低了成本、提高了可靠性。采用耦合電感除減小體積、重量外，提高了負載動態(tài)性能和交叉調節(jié)性能。通過實際產品驗證，電源性能穩(wěn)定，只需按本電源設計方法，適當改變參數(shù)，即可研制出各種不同輸出電壓的電源，


圖1為本發(fā)明電源結構框圖； 圖2為輔助電源電路圖，其中(a)為簡化前，(b)為簡化后； 圖3為電流檢測電路圖，其中為(a)簡化前，(b)簡化后； 圖4為帶前沿消隱后電流檢測波形圖； 圖5為正激式變換器常見磁復位電路圖；其中 圖6為滿載時腳6輸出矩形波圖； 圖7為主輔路全滿載時開關管的VDS波形圖。

具體實施例方式 參見圖1，本發(fā)明提供的低壓供電的多路輸出電源，包括濾波電路，功率轉換電路，輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器，采樣電路，反饋隔離電路，控制電路，以及自啟動和輔助電源電路，所述濾波電路經功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器，采樣電路，反饋隔離電路與控制電路連接，或經功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，采樣電路，反饋隔離電路與控制電路連接；所述自啟動和輔助電源電路設置于濾波電路與控制電路之間；所述功率轉換電路經電流采樣與控制電路連接，所述控制電路經驅動后與功率轉換電路連接。功率轉換電路為單端正激式變換電路，所述單端正激式變換電路輸出的一路為閉環(huán)，其它輸出為開環(huán)?？刂齐娐愤x為第三代CMOS技術的電流控制型脈寬調制電路。單端正激式變換電路輸入電壓為8V～40VDC，輸出直流為+5V/3A，±15V/0.5A，+10V/0.5A。
其中，控制電路選用電流控制型脈寬調制器(PWM)芯片---UCC3800系列，該系列與目前廣泛使用UC3842/43管腳完全兼容且功能進一步完善。其主要特點為低的啟動電流、工作電流；內部軟啟動；自穩(wěn)定Vcc電壓；前沿消隱；故障條件下全周期復位；減小了傳導延遲。
功率轉換電路的主要作用是實現(xiàn)能量轉換和隔離。該電源的功率轉換電路選擇適合低壓直流供電的單端正激式變換電路。選擇單端正激式變換電路的優(yōu)點為只采用一個功率MOS場效應管開關元件，簡化了驅動電路及功率轉換電路的設計；降低了產品的成本，提高了產品的可靠性；變壓器設計簡單，易于加工。
參見圖2，簡化了啟動電路和Vcc電源的設計，普通雙極型電壓控制型PWM芯片，通常需要較復雜的輔助電源電路供電，如圖2(a)所示。由于BICMOS PWM芯片具有低的啟動電流，當輸入電壓高于12V時，可采用RC電路實現(xiàn)自啟動，簡化后的輔助電源電路如圖2(b)所示。
由于PWM芯片內部穩(wěn)定Vcc，電阻R1可以起到限流的作用。該電流限制在10mA以內，電阻由(1)式計算。
R1＝(Vin-13.5)/0.01A(1) 式中R1是圖3(b)中限流電阻；Vin是電源輸入電壓；13.5V是PWM芯片的工作電壓，即Vcc。
參見圖3，芯片內部100ns前沿消隱電路的設計，簡化了電流檢測電路的設計，無需電流檢測用的RC濾波網絡，提高了電流采樣的抗干擾能力，消除了高次諧波干擾。采用BICOMS PWM后的電流檢測電路如圖3(b)所示。圖4為帶前沿消隱電路后的電流檢測實測波形。
參見圖5，功率轉換電路中磁通復位電路的選用和設計是關鍵。常見的復位電路有(1)磁通復位繞組[圖5(a)]；(2)RCD箝位電路[圖5(b)]；(3)LCD無損耗箝位電路[圖5(c)]；(4)有源箝位[圖5(d)]。復位電路(1)使變壓器的結構復雜化，且開關管關斷時，漏感會引起較大關斷電壓尖峰。復位電路(2)當功率開關管導通能量向次級傳遞時，由于變壓器漏磁儲存的能量，在開關管關斷時在電阻R上將此能量消耗。這種電路工作效率低、箝位電壓為輸入電壓的兩倍。復位電路(3)利用電感、電容諧振來箝位開關管關斷電壓，箝位電壓低，損耗比RCD箝位電路小。復位電路(4)是一種適合高頻、高效率工作的磁復位技術，它由一個輔助開關管和一個箝位電容組成，并聯(lián)在變壓器初級繞組兩端。通過控制輔助開關管的導通時間進行磁復位，其缺點是電路復雜、成本高。通過對這四種磁復位電路的比較，選用LCD無損耗箝位電路。
設計功率變壓器的具體情況如下 1、磁芯的選用 根據(jù)廠家的磁芯材料手冊給出的輸出功率與磁芯尺寸的關系，本電源選用GU26×16型磁芯，其有效截面積Ae為0.959cm2。
2、計算匝比 U0＝U01+UD+UL＝5.0+0.5+0.2＝5.7V(2) 式中U0為N2輸出電壓； U01為5V主路輸出電壓； UD為整流管正向壓降，取0.5V； UL為電感上壓降，取0.2V。
式中n12為主路原副邊匝比； U1min為電源最低輸入電壓； (Dmax為最大占空比，取0.5)； 實際取n12＝8∶11。
3、計算主路副邊匝數(shù) 式中(fS為電源工作頻率，選100KHZ)； ΔB為磁通增量，選500GS； Ae為磁芯有效截面積。
實際取N2＝12匝。
4、計算原邊匝數(shù) N1＝N2×n12＝8.7(5) 實際取N1＝9匝。
5、計算其余三個輔路副邊匝數(shù) 式中U02為+15V輔路輸出電壓， U′D為整流管正向壓降，取0.9V； U′L為電感上壓降，取0.2V。
實際取N3＝N4＝34匝。
用相同的方法計算出+10V輔路副邊匝數(shù)N5＝24匝。
繞制時由于原邊、主路副邊電流較大，為減小漏感，分別采用雙線并繞法及四線并繞法。
對輸出耦合電感具體分析與設計如下 針對本電源多路輸出的具體情況，輸出濾波電感不宜采用獨立電感，而應采用耦合電感，即將四路的輸出濾波電感繞在一個磁芯上，只有+5V主電路受控，輸出特性較好，而±15V、+10V三路分別用三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。
1、耦合電感對電源性能的影響 采用耦合電感與分立的濾波電感相比，減小了體積和重量，在電性能方面有如下優(yōu)點 a)采用耦合電感后，各路輸出電感量中增加了其他幾路電感電流的變化項，增大了濾波電感值，減小了輸出紋波電壓； b)有利于改善電源的動態(tài)性能。采用耦合電感，每路電壓的變化會引起其他各路輸出電壓的同樣變化趨勢，有利于電路的控制，也保證了電路有比較好的動態(tài)性能。
c)對負載交叉調節(jié)性能的影響。采用耦合電感能減小輸出電流脈動，擴寬電路連續(xù)模式的范圍，減小臨界連續(xù)電流，從而減小斷續(xù)與連續(xù)模式輸出電壓間差距或使負載交叉調節(jié)性能落在連續(xù)模式工作范圍，改善了多路輸出電源的負載交叉調節(jié)性能。
2、設計與計算 結合該多路輸出電源電路，對耦合電感的磁芯材料、性能進行了分析比較，最終選用進口磁粉芯，這種材料本身內部有氣隙。
選擇電感的匝數(shù)要滿足電感的匝數(shù)比等于主變壓器的輸出繞組的匝數(shù)比。如果耦合電感的匝數(shù)比不能保證與變壓器的匝比相等，則在各路輸出電壓之間會存在附加的電流流動，從而在其輸出產生很大的紋波。為了減小漏感，采用了均勻繞制的方法，結合主功率變壓器匝比的關系，耦合電感的繞組共有4個，分別為+5V輸出濾波電感、±15V輸出濾波電感、+10V濾波電感，匝比關系為 首先確定輸出濾波電感值。
式中U2min為副邊線圈最小電壓； UD為整流管正向壓降，取0.5V； U0max為最大輸出電壓； ΔIL為輸出電感的電流變化值，取輸出電流的 10％～30％。
然后依據(jù)式(8)確定電感匝數(shù)， 式中ISP為電感電流最大峰值； BMAX為磁路磁通密度最大值。
最后再分配到各支路，根據(jù)各路實際電流和次級匝比得到各線圈匝數(shù)和尺寸。實際取+5V輸出濾波電感匝數(shù)為14匝，±15V輸出濾波電感匝數(shù)各為40匝，+10V輸出濾波電感匝數(shù)為28匝，輸出負載交叉調節(jié)率達到0.8％，紋波電壓值也僅為100mv。
據(jù)體實驗結果如下 1)電路設計的主要參數(shù)BICMOS電流控制型多路輸出電源主要參數(shù)為輸入直流電壓范圍8V-40VDC；輸出直流電壓+5V/3A，±15V/0.5A，+10V/0.5A；輸出總功率35W；工作頻率100KHZ。
2)實驗波形參見圖6-圖7， 3)該電源已經達到了如下技術指標(±15V，+10V均為三端穩(wěn)壓器后實測指標) 負載調整率+5V0.1％； +15V0.1％； -15V0.1％； +10V0.1％； 電壓調整率≤0.1％；交叉調節(jié)0.8％；輸出紋波電壓峰峰值VP-P≤100mv； 效率75％；外形尺寸103.4mm×93.5mm×30.2mm；也具有輸出過流、短路、過壓保護功能。
權利要求
1.一種低壓供電的多路輸出電源，包括濾波電路，功率轉換電路，輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器，采樣電路，反饋隔離電路，控制電路，以及自啟動和輔助電源電路，所述輸入電壓經濾波電路、功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器轉換為三路輸出電壓；或輸入電壓經功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，采樣電路，反饋隔離電路與控制電路連接；所述自啟動和輔助電源電路設置于濾波電路與控制電路之間；所述功率轉換電路經電流采樣與控制電路連接，所述控制電路產生驅動信號與功率轉換電路連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的低壓供電的多路輸出電源，其特征在于所述功率轉換電路為單端正激式變換電路；所述單端正激式變換電路輸出的一路為閉環(huán)，其它輸出為開環(huán)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的低壓供電的多路輸出電源，其特征在于所述控制電路選為第三代CMOS技術的電流控制型脈寬調制電路。
4.根據(jù)權利要求3所述的低壓供電的多路輸出電源，其特征在于所述單端正激式變換電路輸入電壓為8V～40VDC，輸出直流為+5V/3A，±15V/0.5A，+10V/0.5A。
全文摘要
本發(fā)明提供的低壓供電的多路輸出電源包括濾波電路，功率轉換電路，輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器，采樣電路，反饋隔離電路，控制電路，以及自啟動和輔助電源電路，輸入電壓經濾波電路、功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，低壓差穩(wěn)壓器轉換為三路輸出電壓；或輸入電壓經功率轉換電路、輸出整流高頻濾波電路，采樣電路，反饋隔離電路與控制電路連接；自啟動和輔助電源電路設置于濾波電路與控制電路之間；功率轉換電路經電流采樣與控制電路連接，控制電路產生驅動信號與功率轉換電路連接。解決現(xiàn)有調制器外圍電路設計復雜、穩(wěn)定度低的技術問題，具有設計合理、實用性高等優(yōu)點。
文檔編號H02M1/14GK101714820SQ20091025444
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權日2009年12月22日
發(fā)明者楊寧, 惠曉強 申請人:中國航空工業(yè)集團公司第六三一研究所