带后备电池的多路隔离输出开关电源

随着社会经济的高速发展，人类对于电能的需求量越来越大。在化石能源等不可再生、能源日益短缺的情况下，越来越多的国家意识到节约能源与开发可再生能源的重要性。因此近几年，高压直流输电、太阳能发电等高新技术得到快速发展。而这些高新技术的发展都离不开性能日益提升的大功率可控器件，如IGBT。这些大功率器件往往功率较大、集成度高、价格昂贵，且需要有适合其工作的驱动电路。由于这些大功率器件在工作中往往是多只组合构成桥式电路工作，每只功率器件都是独立的，因此其驱动电路所需电压必须由多路隔离的直流电压提供，而这种多路隔离的直流电压输出一般都由开关电源实现。开关电源一般由市电为其供电，只要市电正常，开关电源就可工作，并能输出稳定的多路隔离直流电压。一旦市电发生故障，开关电源的输出电压就会下降，而由于连接大功率开关器件的直流母线上并联着容量较大的电解电容，开关电源输出电压下降必然导致驱动电路的电压下降，由此很可能导致功率器件在应该关断的时刻不能立即关断而烧毁。因此，驱动电路的供电开关电源对整个系统至关重要。为了保证功率器件可靠工作，其驱动电路应该能不间断工作；或者在市电断电的情况下，保持供电一段时间，让功率器件都相继关闭再断电。由于开关电源是多路隔离输出，且电压等级也有很多种，如果为每一路输出都配备一只蓄电池，虽然可以保证系统在市电断电情况下运行一段时间，但蓄电池数量较多，需要很多充电器，且节点繁多，维护不便，使可靠性大打折扣。为保证市电断电情况下多路隔离输出开关电源继续工作，且只使用一只蓄电池，本文设计了一种带后备电池的不间断多路输出开关电源，该开关电源能在市电断电的情况下继续提供直流电压，并能将市电故障信号提供给控制电路。


1 带后备电池的多路隔离输出开关电源的构成


带后备电池的多路隔离输出开关电源结构框图如图1所示。

在市电正常情况下，市电同时给多路隔离输出开关电源和辅助电源供电。多路隔离输出开关电源输出多组相互隔离的直流电压为负载供电，针对不同的负载供电要求，可以设计出相应的多路隔离输出开关电源，而这种多路隔离输出开关电源的主电路形式都是相同的，只是输出电压的等级和数量有所不同。在多路隔离输出开关电源工作的同时，辅助电源也从市电获取电能，为充电/控制器供电。在市电正常的情况下，充电/控制器为蓄电池充电，蓄电池充满电时，充电/控制器对蓄电池进行浮充电；同时充电/控制器为升压电路提供电源，让其工作，输出设定的高压直流电。


当市电因故障断电时，辅助电源断电。由于升压电路输出高压直流电，且并连着电解电容，因此可为多路隔离输出开关电源即时供电。此时，蓄电池立即投入工作，为升压电路供电。蓄电池受其容量限制不可能无限时地为负载供电，因此充电/控制器不断检测蓄电池的电压状态，当电压低至一定值时（一般25 ℃时，单节电池1.8 V），充电/控制器将停止蓄电池对负载的供电，以免蓄电池因过放电而导致寿命提前终结。为了保证多路隔离输出开关电源所带负载的安全工作，充电/控制器切断蓄电池供电前将通过对外通信接口将信号传递给多路隔离输出开关电源所带负载中的控制电路，让其逐步关闭大功率开关器件，并响应充电/控制器。这样充电/控制器即可安全断开蓄电池，同时充电/控制器中的MCU关闭一切可能耗电电路，进入休眠状态，以进一步降低功耗。当市电恢复正常时，多路隔离输出开关电源开始工作，同时辅助电源工作，充电/控制器开始为蓄电池充电，升压电路也开始工作。


如果在市电断电后蓄电池开始工作期间，市电又恢复正常，蓄电池将立即停止为升压电路供电，且充电/控制器开始对蓄电池充电。蓄电池中的电能始终为备份作用，且在市电正常状态时，充电/控制器会补充其储能或让其容量保持在最大状态。


2 多路隔离输出开关电源构成及其工作原理


多路隔离输出开关电源的主电路为反激式拓扑结构，采用UC3844作为工作芯片。UC3844只需配合少量的外部电路即可正常工作，UC3844可构成微调的振荡器，能进行精确的占空比控制，提供温度补偿的参考，具有高增益误差放大器[1]，电流取样比较器和大电流图腾柱式输出可较好地驱动MOSFET。同时UC3844还具备完善的保护功能。其原理框图如图2所示。

图2所示为多路隔离输出开关电源，设计工作电压为85 V～265 V，功率为45 W。输入侧由整流、滤波、RCD吸收电路等组成。RCD吸收电路可吸收在MOSFET关断期间原边绕组电感中的储能。偏置绕组为UC3844正常工作提供电源，通过过流检测电