一种数控用开关电源保护电路的分析与设计

精密机床数控系统使得加工零件的精度有了稳定的保证， 在目前机械加工中得到越来越广泛的应用。

　　精密机床数控系统由CNC 控制器、内置PLC 控制器、开关电源电路、CRT 显示器、输入输出接口、光电编码器等设备组成。而开关电源电路负责为整个机床数控系统各部分设备提供电源。在机床加工车间等场所，因有较多大功率用电设备， 在这种复杂电磁环境下， 如果开关电源可靠性不高、保护功能缺乏， 会使得数控机床系统工作异常， 很容易出现飞车等重大事故。因此，具有各种保护功能的高可靠性开关电源是数控机床系统稳定工作的重要保证。本文主要介绍了一种机床数控系统用开关电源各种保护电路的工作原理和实现方法， 通过实际研制， 使得该系统开关电源稳定性大大提高， 保护功能稳定可靠， 满足了批量生产要求。

　　1 保护电路工作原理分析

　　机床数控用开关电源包含有软启动保护、过压保护、过流保护、欠压掉电保护等电路。

　　（1） 软启动电路

　　由于开关电源输入整流电路后级大多采用电容性滤波电路滤波， 在电源合闸瞬间， 往往会产生电流幅值高达几十甚至几百安培的浪涌电流， 此种浪涌电流十分有害， 会造成开关电源启动故障甚至损坏。常用的软启动电路有可控硅和限流电阻组成的防浪涌软启动保护、继电器触点组成的软启动保护、负温度系数电阻组成的软启动保护电路等。

　　本系统开关电源采用负温度系数电阻组成的软启动保护电路， 简单实用， 工作可靠。如图1, 220 V 交流电经线圈L1滤波共模干扰后， 整流产生约三百伏左右直流电压， RT 电阻为负温度系数热敏电阻， 型号为M02-7Ω。当电源合闸瞬间， 浪涌电流使得热敏电阻发热， 阻值迅速减小， 输出直流电压逐渐建立， 可有效防止浪涌电流对电源电路的冲击， 使得整个电源半桥变换电路稳定可靠。

图1 负温度系数电阻组成的输入软启动电路

　　在开关电源启动时， 由于脉宽调制器尚未建立稳定的驱动脉冲， 需采取措施使得驱动脉冲逐渐建立起来， 该开关电源脉宽调制器采用性价比较高的脉宽调制器T L494。如图2, TL494 的第四脚为死区控制， 它既可以为变换功率管提供安全的死区时间控制， 也可以作为驱动芯片的软启动控制。开机瞬间， 电容器C1上未建立电压， + 5 V 通过电容C1 送TL494: 4 脚， 封锁脉宽调制器的输出脉冲。随着电容C1 两端电压逐渐升高， T L494: 4 脚电压逐渐下降， 驱动脉冲宽度逐渐展宽。当辅助电源+ 15 V 出现故障时， 三级管V1迅速导通， + 5 V 电压经三极管V1 送T L494: 4 脚， 切断驱动脉冲， 使开关电源停止工作而不致损坏。

图2 利用TL494:4 脚进行驱动软启动及电源保护

　　（2） 过压保护电路

　　通常的数字信号处理电路大多采用TT L 或CMOS 系列的集成门电路。对于T TL 集成门电路，往往工作电压不能大于5. 5 V。该数控系统开关电源输出有多路， 有+ 5 V, + 15 V, - 15 V, + 24 V 等多路输出， 在开关电源系统中， 对主变换电压+ 5 V 进行过压保护， 具体电路见图3。

图3 数控开关电源过压保护电路

　　工作原理： 数控开关电源由辅助电源+ 15 V 提供给可控硅V4管阳极工作电压， 实际输出取样电压送至稳压管V5 , 当超出保护电压阈值+ 5. 5 V 时， 输出电压经稳压管、电阻R3 、R4 分压触发可控硅V4 导通， 将辅助电源+ 15 V 通过电阻R1接地， 同时通过二极管V2切断8 脚电源。调节RP 电位器， 可以对输出电压保护阈值点进行设置。

　　（3） 过流保护电路

　　本开关电源过流保护电路的工作原理见图4。变压器T 1原边串接在开关电源主变压器原边回路中， 通过实验选择合理的变压器原副边匝数比， 感应开关电源变换时的原边电流值， 经二极管V1 ~ V4 整流， R1、C1 滤波后送电位器RP。原边电流越大， 电流取样变压器整流出的电压越大， 电位器RP 中心点电压越低，TL494: 2 脚电压随之下降， 使得TL494: 3 脚电压升高， 送入脉宽调制器， 将T L494 驱动脉冲宽度逐渐减少， 从而得到过流保护的目的。图中电容C4、C5、R10为TL494 误差放大器的反馈元件， 使得放大电路稳定可靠。

图4 数控开关电源过流保护电路电路图

　　（4） 欠压保护电路

　　利用+ 5 V 及PF （ Power FAIL） 信号进行比较， 在+ 5 V 掉电时， PF 信号至少需维持10 ms 时间，以便存储相关信息。欠压保护电路如图5 所示。

（a） 利用LM339 电压比较器实现的掉电保护

（b） 上电时序及掉电保护时序图

图5 数控开关电源的欠压保护电路

2 保护电路调试与实现

　　（1） 软启动电路调试

热敏电阻软启动电路， 可用电烙铁对负温度系数热敏电阻贴近进行烘烤， 用万