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摘要：DC/DC变换的开关电源在工业上和民用上大量使用，其技术日趋成熟。本文介绍的是一种大功率的开关电源将DC260V～DC380V 电压或者日常使用的AC220V电压转换成DC48V稳定输出电压，输出额定电流为10A，功率500W，有过压和欠压保护以及过流保护。并且有发光二极管来指示各种状态。此装置经过多次试验验证了其工作可靠，输出电压纹波小，性能良好，适合于各种DC48V电源的供电场合。
关键词：开关电源，电压检测，振荡电路，整流滤波
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
0 引言
开关电源与传统的模拟变压器相比较，由于它的震荡频率高，所以采用体积很小的变压器即可获得较大的电流输出，在直流供电设备上广泛应用。本文介绍的是一款大功率的开关电源基本原理，以及为了增加稳定性和安全性所附加的各种保护功能。特别适合于为基站设备提供电源。
1直流电源的总体设计
一个完整的开关电源首先将输入电压进行滤波整流得到稳定的直流电压，通过振荡电路由变压产生低压的控制电源供各控制检测部分。然后检测过压和欠压，如果输入电源出现过压或欠压，则对应的故障指示灯亮，不会启动振荡电路，没有输出电压；如果输入电压正常，则启动振荡电路，在变压器的一次侧线圈产生相同频率振荡电电流，变压器二次侧有幅值不同振荡电压输出，经过整流滤波后得到稳定的输出电压。输出电压的值反馈到振荡电路来进行调整使输出电压稳定可靠。如果输出电流过大则由过流检测结果反馈到振荡电路同时过流指示灯亮起，为了保证安全，使振荡电路停止工作，输出过流消失后必须等待一段很长的时间后振荡电路才开始继续工作。
本装置的设计要求：功率500W，输入电压DC260V～DC380V或AC220V，输出电压DC48V，纹波小于1V，输出电流10A，效率大于90%，对地绝缘电阻大于20M欧姆。
2滤波整流
滤波电路基本上是有电容和电感组成的滤波回路，消除高次谐波个抖动电压，电压由INPUT端输入进来，并接入压敏电阻，防止内部电压相对于机壳的电压过高损害设备。通过电容与电感滤波后由二极管组成的整流设备整流输出稳定的直流电压。
3 生成控制电源的振荡电路
此振荡电路采用高性能固定频率电流模式控制器UC3844，该集成电路的特点是，具有振荡器、温度补偿参考、高增益误差放大器、电流取样补偿器和大电流图腾柱输出，是驱动MOSFET的理想器件。本装置采用电流取样的形式来连接集成电路，振荡电路以及控制电压的生成如图3.1所示。集成电路UC3844和外部阻容电路连接完整后，在第6脚产生振荡脉冲，以控制场效应管Q115来形成变压器一次侧线圈的振荡电流。内部振荡器的振荡频率是由内部产生5.0V的标准电压通过电阻R141给电容C124充电，但充电电压达到2.8V时，再由内部放电至1.2V，然后再进行充电，如此循环产生了固定频率的内部振荡器，外部输出的固定频率的脉冲，可提供1.0A的输出电流。通过R157上的电压来对一次侧电流取样，反馈到UC3844的第3脚，以控制输出脉冲。变压器的二次侧为三路匝数相同的线圈，产生三路同样的大小的电压。根据变压器的特性一次侧和二次侧电压与线圈匝数成正比，如式3.1中，N1、 N2分别为一、二次侧线圈匝数，V1为一次侧线圈电压VDD，V2为二次侧输出电压。二次侧电压幅值大小如式3.2的计算公式，经过二极管1N4007整流和电容滤波后，输出稳定的控制电压。集成电路的电源电压VCC在起振时，可由设备电源VDD产生，当起振完成后可由通过电压变换电路采用变压器二次侧的一路电压VCC3为振荡电路提供电源。
（3.1）
（3.2）
图3.1控制电压的生成电路
4过压欠压检测电路
过电压与欠电压检测电路利用图3中生成的VCC3作为控制电源为运算放大器LM2904提供电源，如图4.1所示。用TL431生成基准电压2.5V，运算放大器LM2904正反馈连接提供两个相互独立的比较器。当电压VDD为380V时，根据电阻R128、R127和R116分压，根据式4.1可计算输入到LM2904的第3脚上的电压值为2.44V。如果VDD小于380V，比较器输出为低电平0V，二极管D117截止，第二个比较器的负端为2.5V；如果电压VDD同时大于260V时，由电阻R130、R131和R147的分压根据式4.3可计算比较器正端电压大于2.5V，比较器输出为高电平，二极管灯亮，如果电压VDD小于260V时，则比较器输出为低电平；如果VDD电压大于380V时，第一个比较器输出高电压，D117二极管接通，第二个比较器负端为高电平，则输出低电平。图4中OUTPUT输出控制振荡器的控制电压，高电平有效。所以无论欠压或过压振荡器都无法起振，开关电源不工作。
（4.1）
（4.2）
图4.1过电压欠电压检测电路
5振荡电路
振荡电路中采用集成元件TL494生成控制脉冲，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需要的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。当图4.1中OUTPUT端输出高电平时，图3.1中VCC2为振荡电路提供控制电源。
图5.1 振荡电路的连接
图5.1所示为振荡电路的连接原理图，当VCC2上电后在TL494的第9脚上就有振荡脉冲产生。TL494内置了线性锯齿波发生器，振荡频率可通过外部的电阻R259和电容C216由5.1式计算出振荡器的振荡频率为55KHZ，输出脉冲的振荡频率可由式5.2计算，在本电路中振荡电路输出的脉冲频率为27.5KHZ。振荡脉冲经过NPN三极管由输出端口PULSE1和PULSE2输出脉冲，再由功率放大控制场效应管使VDD在变压器的一次侧上生成振荡电流。控制电压由外部输入，直接将TL494第14引脚上的参考电压输入到误差比较放大器的正端。在图5中，INPUT端为控制信号输入端，当本装置的输出电压过大时，将输出图中OUTPUT和INPUT由光耦连接，这样可直接控制振荡电路。 （5.1）
（5.2）
6输出电压整流滤波和电压检测
6.1 输出电压整流滤波
在电源电压在变压器的一次侧线圈产生振荡电流后，变压器的二次侧线圈则产生同样频率的电压，电压大小与变压器线圈两侧的匝数乘正比，输出电压的幅值大小可根据式3.2和式3.2计算。二次侧电压经过整流滤波后得到稳定的电压输出。输出电压通过整流滤波电路转变为直流稳定的直流电压，为了增大输出电流，本装置采用将变压器的双线圈并联输出。首先经过四个二极管进行全波整流，然后由电感和电容组成的电路进行滤波。为了提高滤波效果，增大电容的容量采用多个电容并联的形式，可得到稳定的电压输出。
6.2输出电压检测
此部分只有整流滤波电路还无法得到想要的电压值，输入电压的变化将影响输出电压的大小。此时尚需要电压检测电路，将输出电压反馈到振荡系统中，进行实时调整振荡波形。输出电压与由TL431组成的标准电压比较，将结果通过光耦隔离反馈到变压器一次测的振荡电路上，调整TL494的振荡脉冲变比。使输出电压保持在48V。
7试验与结论
7.1试验
在试验过程中，由于采用了场效应管作为开关管，它的输入电阻很大，在栅极和源极之间加上很小的电压即可将它的漏极和源极导通，使用方便；另外栅极和漏极之间电容很小，即使很少的静电也会形成很高的电压，将场效应管击穿。在实验过程中为了增加可靠性在栅极和漏极之间通过连接稳压管来消除静电。另外装置功率较大，变压器要进行有效的散热，本装置通过导热膏给变压器加散热器进行有效散热。在设计PCB的过程中也要注意到元器件的布局和封装有利于散热和焊接，以及走线的宽度。
7.2结论
此DC/DC电源已经安装调试完成，输入电源的过压欠压保护有效，经过多次带载在输出10A额定电流时进行长时间的试验，没有出现故障。用示波器进行电压波形的检测，输出DC48V电压稳定，输出纹波小于1V。通过绝缘测试，内部与壳体的电阻大于20M。装置效率大于90%。本装置适合在基站中为设备提供DC48直流电源，以及其他的一些直流供电场合，接线方便；输入电压除了直流电压以外，也可以采用AC220V市电作为输入电源。
参考文献
[1] 王卫东.模拟电子技术基础[M]. 北京：电子工业出版社，2010.
[2] 唐清善.邱宝良等.Protel DXP高级实例教程[M].北京：中国水利出版社，2004.
[3] 姜宜宽.美国莫托洛拉光电光纤器件手册[M].青岛：青岛海洋大学出版社，1992.
关键词：开关电源，电压检测，振荡电路，整流滤波
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
0 引言
开关电源与传统的模拟变压器相比较，由于它的震荡频率高，所以采用体积很小的变压器即可获得较大的电流输出，在直流供电设备上广泛应用。本文介绍的是一款大功率的开关电源基本原理，以及为了增加稳定性和安全性所附加的各种保护功能。特别适合于为基站设备提供电源。
1直流电源的总体设计
一个完整的开关电源首先将输入电压进行滤波整流得到稳定的直流电压，通过振荡电路由变压产生低压的控制电源供各控制检测部分。然后检测过压和欠压，如果输入电源出现过压或欠压，则对应的故障指示灯亮，不会启动振荡电路，没有输出电压；如果输入电压正常，则启动振荡电路，在变压器的一次侧线圈产生相同频率振荡电电流，变压器二次侧有幅值不同振荡电压输出，经过整流滤波后得到稳定的输出电压。输出电压的值反馈到振荡电路来进行调整使输出电压稳定可靠。如果输出电流过大则由过流检测结果反馈到振荡电路同时过流指示灯亮起，为了保证安全，使振荡电路停止工作，输出过流消失后必须等待一段很长的时间后振荡电路才开始继续工作。
本装置的设计要求：功率500W，输入电压DC260V～DC380V或AC220V，输出电压DC48V，纹波小于1V，输出电流10A，效率大于90%，对地绝缘电阻大于20M欧姆。
2滤波整流
滤波电路基本上是有电容和电感组成的滤波回路，消除高次谐波个抖动电压，电压由INPUT端输入进来，并接入压敏电阻，防止内部电压相对于机壳的电压过高损害设备。通过电容与电感滤波后由二极管组成的整流设备整流输出稳定的直流电压。
3 生成控制电源的振荡电路
此振荡电路采用高性能固定频率电流模式控制器UC3844，该集成电路的特点是，具有振荡器、温度补偿参考、高增益误差放大器、电流取样补偿器和大电流图腾柱输出，是驱动MOSFET的理想器件。本装置采用电流取样的形式来连接集成电路，振荡电路以及控制电压的生成如图3.1所示。集成电路UC3844和外部阻容电路连接完整后，在第6脚产生振荡脉冲，以控制场效应管Q115来形成变压器一次侧线圈的振荡电流。内部振荡器的振荡频率是由内部产生5.0V的标准电压通过电阻R141给电容C124充电，但充电电压达到2.8V时，再由内部放电至1.2V，然后再进行充电，如此循环产生了固定频率的内部振荡器，外部输出的固定频率的脉冲，可提供1.0A的输出电流。通过R157上的电压来对一次侧电流取样，反馈到UC3844的第3脚，以控制输出脉冲。变压器的二次侧为三路匝数相同的线圈，产生三路同样的大小的电压。根据变压器的特性一次侧和二次侧电压与线圈匝数成正比，如式3.1中，N1、 N2分别为一、二次侧线圈匝数，V1为一次侧线圈电压VDD，V2为二次侧输出电压。二次侧电压幅值大小如式3.2的计算公式，经过二极管1N4007整流和电容滤波后，输出稳定的控制电压。集成电路的电源电压VCC在起振时，可由设备电源VDD产生，当起振完成后可由通过电压变换电路采用变压器二次侧的一路电压VCC3为振荡电路提供电源。
（3.1）
（3.2）
图3.1控制电压的生成电路
4过压欠压检测电路
过电压与欠电压检测电路利用图3中生成的VCC3作为控制电源为运算放大器LM2904提供电源，如图4.1所示。用TL431生成基准电压2.5V，运算放大器LM2904正反馈连接提供两个相互独立的比较器。当电压VDD为380V时，根据电阻R128、R127和R116分压，根据式4.1可计算输入到LM2904的第3脚上的电压值为2.44V。如果VDD小于380V，比较器输出为低电平0V，二极管D117截止，第二个比较器的负端为2.5V；如果电压VDD同时大于260V时，由电阻R130、R131和R147的分压根据式4.3可计算比较器正端电压大于2.5V，比较器输出为高电平，二极管灯亮，如果电压VDD小于260V时，则比较器输出为低电平；如果VDD电压大于380V时，第一个比较器输出高电压，D117二极管接通，第二个比较器负端为高电平，则输出低电平。图4中OUTPUT输出控制振荡器的控制电压，高电平有效。所以无论欠压或过压振荡器都无法起振，开关电源不工作。
（4.1）
（4.2）
图4.1过电压欠电压检测电路
5振荡电路
振荡电路中采用集成元件TL494生成控制脉冲，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需要的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。当图4.1中OUTPUT端输出高电平时，图3.1中VCC2为振荡电路提供控制电源。
图5.1 振荡电路的连接
图5.1所示为振荡电路的连接原理图，当VCC2上电后在TL494的第9脚上就有振荡脉冲产生。TL494内置了线性锯齿波发生器，振荡频率可通过外部的电阻R259和电容C216由5.1式计算出振荡器的振荡频率为55KHZ，输出脉冲的振荡频率可由式5.2计算，在本电路中振荡电路输出的脉冲频率为27.5KHZ。振荡脉冲经过NPN三极管由输出端口PULSE1和PULSE2输出脉冲，再由功率放大控制场效应管使VDD在变压器的一次侧上生成振荡电流。控制电压由外部输入，直接将TL494第14引脚上的参考电压输入到误差比较放大器的正端。在图5中，INPUT端为控制信号输入端，当本装置的输出电压过大时，将输出图中OUTPUT和INPUT由光耦连接，这样可直接控制振荡电路。 （5.1）
（5.2）
6输出电压整流滤波和电压检测
6.1 输出电压整流滤波
在电源电压在变压器的一次侧线圈产生振荡电流后，变压器的二次侧线圈则产生同样频率的电压，电压大小与变压器线圈两侧的匝数乘正比，输出电压的幅值大小可根据式3.2和式3.2计算。二次侧电压经过整流滤波后得到稳定的电压输出。输出电压通过整流滤波电路转变为直流稳定的直流电压，为了增大输出电流，本装置采用将变压器的双线圈并联输出。首先经过四个二极管进行全波整流，然后由电感和电容组成的电路进行滤波。为了提高滤波效果，增大电容的容量采用多个电容并联的形式，可得到稳定的电压输出。
6.2输出电压检测
此部分只有整流滤波电路还无法得到想要的电压值，输入电压的变化将影响输出电压的大小。此时尚需要电压检测电路，将输出电压反馈到振荡系统中，进行实时调整振荡波形。输出电压与由TL431组成的标准电压比较，将结果通过光耦隔离反馈到变压器一次测的振荡电路上，调整TL494的振荡脉冲变比。使输出电压保持在48V。
7试验与结论
7.1试验
在试验过程中，由于采用了场效应管作为开关管，它的输入电阻很大，在栅极和源极之间加上很小的电压即可将它的漏极和源极导通，使用方便；另外栅极和漏极之间电容很小，即使很少的静电也会形成很高的电压，将场效应管击穿。在实验过程中为了增加可靠性在栅极和漏极之间通过连接稳压管来消除静电。另外装置功率较大，变压器要进行有效的散热，本装置通过导热膏给变压器加散热器进行有效散热。在设计PCB的过程中也要注意到元器件的布局和封装有利于散热和焊接，以及走线的宽度。
7.2结论
此DC/DC电源已经安装调试完成，输入电源的过压欠压保护有效，经过多次带载在输出10A额定电流时进行长时间的试验，没有出现故障。用示波器进行电压波形的检测，输出DC48V电压稳定，输出纹波小于1V。通过绝缘测试，内部与壳体的电阻大于20M。装置效率大于90%。本装置适合在基站中为设备提供DC48直流电源，以及其他的一些直流供电场合，接线方便；输入电压除了直流电压以外，也可以采用AC220V市电作为输入电源。
参考文献
[1] 王卫东.模拟电子技术基础[M]. 北京：电子工业出版社，2010.
[2] 唐清善.邱宝良等.Protel DXP高级实例教程[M].北京：中国水利出版社，2004.
[3] 姜宜宽.美国莫托洛拉光电光纤器件手册[M].青岛：青岛海洋大学出版社，1992.