一种带过载保护的开关稳压电源设计方案与实现

　　近年来，随着我国农产品需求量的增加，农业自动化水平的提高，以及大量农业机械、电气照明和温控设备的增加，农业电耗逐年增加，生产成本不断提高。随着电子技术的迅猛发展，开关稳压电源已作为一种较理想的电源为人们所使用，其运用功率变换器进行电能变换，能够在满足各种农业用电的前提下，降低电耗，其高效节能可带来巨大的农业经济效益。然而当前的农业用开关稳压电源，虽然体积小，效率高，但输出电压的纹波较大,难以保证输出电压高稳定性，常常影响农用机械和电气设备的连续生产，反而增加了耗能。为此，本文提出一种新的带过载保护的开关稳压电源设计方案，能为农用大型机械和农业照明设备电路提供稳定的电源，具有比较广阔的应用和发展前景。

　　方案论证

　　1、DC2DC主回路拓扑电路方案论证

　　目前，DC2DC主回路设计方案可考虑的方案有3种。

　　(1)单端正激式电路。该电路的电路原理图如图1所示。

　　图1

　　该方案结构简单，成本低，但变压器铁心易磁化，MOS管导通时向负载供电，变压器并没有实现充分利用，效率不高，而且输出电压纹波大。该方案实现简单，目前为大部分农业机械和电器设备采用，但难以保证稳定持续的工作，应用效果并不理想。

　　(2)全桥整流式电路。图2所示为全桥整流式电路。该方案采用了4个MOS管，工作时对管同时导通，半周期内Q1、Q3导通，Q2、Q4截止，然后Q2、Q4导通，Q1、Q3截止。这样的工作方式使每半周期都有2个MOS管来分压，对MOS管的耐压要求就降低了，适用于高压场合，但由于使用了4个MOS管，使得损耗功率增加，开关损耗同时增加。考虑到农业机械一般功率较大，采用该方案必然降低电能利用率，导致大量的能耗损失。

　　图2

　　(3)双管推挽放大电路。图3所示为双管推挽放大电路。该方案采用了2个MOS管轮流导通，比采用4个MOS管损耗低，而且输出电压比单端方式的要稳，为达到设计所需要的效率，本文选用了该方案。

　　图3　　2、控制方法及方案论证

　　2.1、键控、稳压及显示控制

　　常用的方案有2种。

　　(1)数字芯片方案。采用数字电路搭建控制平台，用tlc4066与74ls07通过按键用74ls07计数，并通过4066来选通分压电阻的电压，输入给PWM芯片，从而控制输出电压。用A/D采样给数码管显示，但A/D控制不易实现而且显示部分电路难以实现。

　　(2)嵌入式方案。采用51单片机小系统板对PWM芯片进行控制，并对A/D和D/A进行控制和采样。采用以7279为核心的按键扫描显示模块进行键控和显示。该方案编程比较容易，控制很方便，显示也很容易实现。经综合比较考虑，笔者选择采用嵌入式解决方案。

　　2.2、PWM芯片的选取

　　TL494是很常用的PWM芯片，但是外围电路复杂，缺少图腾柱式输出，且驱动能力不强。而SG3525芯片的驱动能力要比TL494强，性能稳定，并且以图腾柱式输出，驱动变压器设计简单，外围电路比TL494简洁。

　　因此，PWM芯片的设计中选用SG3525。

　　2.3、过流保护自动控制

　　(1)纯硬件实现自动保护控制。在负载端采样电压，通过一个比较器输出一个电平控制可控硅的导通，由可控硅的状态来控制SG3525的shutdown端，从而控制输出状态。当负载正常时可控硅关断，shutdown端为低电平，芯片正常工作；当负载过流时，通过取样电阻给比较器输出一个高电平，高电平通过一个电容送到一个与可控硅并联的三极管基极，使三极管导通，从而关断可控硅。该方案逻辑关系很强，参数选择严格，不容易实现，不适用于该系统。

　　(2)软件实现自动保护控制。在负载端采样电压，通过单片机来查询负载电平的高低控制SG3525芯片的shutdown端口来控制输出，从而达到保护的目的。该方法简单，且为后续智能化过载保护的实现提供基础。通过对该电源电路进行方案论证，该系统的原理图如图4所示。

　　提高效率方法及解决方案

　　由于损耗主要来源于器件本身以及一些开关元件的寄生电阻和进行开关操作时的开关损耗，因此在设计电路时要尽量减少损耗元件的个数，选用耗能小的元件，采用比较理想的开关元件;并且变压器的选取和绕制也对效率有影响。

　　1、功放电路解决方案

　　为了降低损耗只能选用2个晶体管，并且要求它本身的导通压降很低，降低了损耗，并且开关速度很快，让开关在瞬间完成，才能够最大限度地降低开关损耗和开关噪声。

　　2、变压器解决方案

　　选用EI变压器，设置匝数比为10∶32，线径0.7mm，初级双线并绕，次级单线绕制，这样能最大限度地提高效率。

　　3、硬件设计

　　3.1、开关管的选取

由于是PWM芯片直接驱动，因此驱动电流不大，考虑到效率问题，选用IRF540。它是电压控制器件，要求驱动电流很低，并且开关速度很快，导通电阻很小，这样既减少了开关损耗