基于VICOR模塊的通信基礎(chǔ)電源設(shè)計(jì) - 全文

?

　　本電源主要采用了Vicor公司的電源模塊作為內(nèi)核集成，并輔以簡(jiǎn)單的外圍電路，整機(jī)體積小、重量輕、效率高，確保了長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性?；炯夹g(shù)指標(biāo)是輸入電壓220VAC±20%、輸出DC +48V/20A、輸出電壓調(diào)整范圍+49~+59V、效率≥80%、電壓穩(wěn)定度<0.5%、負(fù)載穩(wěn)定度<1.5%、紋波電壓Vp-p<0.5%，具有輸出過壓、限流、過溫和短路保護(hù)。

　　工作原理

　　開關(guān)電源原理框圖如圖1所示。

?

　　▲▲ 圖1 開關(guān)電源原理框圖

　　交流輸入

　　輸入220V交流電壓后，經(jīng)過壓敏電阻、EMI濾波、橋式整流器，瞬態(tài)電壓抑制器轉(zhuǎn)變成310V左右的直流電壓輸入功率因素校正電路。EMI濾波選用了Vicor公司配套的電源濾波器，可以有效降低電網(wǎng)的噪聲干擾。

　　功率因素校正電路主要由Vicor公司的諧波衰減模塊VI-HAMD、VI-BAMD以及高壓濾波電路組成，其中VI-HAMD是諧波衰減驅(qū)動(dòng)器，VI-BAMD是諧波衰減倍增器。由于諧波衰減模塊內(nèi)部具有功率因素校正電路，因此可以把功率因數(shù)提高到0.99，同時(shí)將輸入的+310V電壓提升到+375V，供給后級(jí)DC-DC變換電路和輔助電源。

　　高壓濾波電路是由高壓電解電容組成，它主要是將直流高壓進(jìn)行平滑濾波為后級(jí)變換儲(chǔ)能。前級(jí)的壓敏電阻器同瞬態(tài)電壓抑制器一起構(gòu)成了浪涌電壓抑制電路，使模塊所承受的交流輸入浪涌電壓不超過410V，確保模塊不會(huì)被浪涌電壓的沖擊所損壞。

　　DC-DC變換及輸出濾波

　　該部分主要是將+375V的直流高壓轉(zhuǎn)變?yōu)?48V的直流輸出電壓。DC-DC變換采用Vicor公司的V375A48C600AL模塊兩個(gè)并聯(lián)使用來實(shí)現(xiàn)。

　　輸出濾波是由高頻電感和電容組成，它可以對(duì)直流脈動(dòng)電壓進(jìn)行濾波，使之變成低雜音、低電磁干擾、高質(zhì)量的直流輸出。

　　輔助電源

　　將+375V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?5V的直流電壓，給保護(hù)電路供電。

　　保護(hù)電路

　　主要實(shí)現(xiàn)輸出過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)以及電源工作狀態(tài)的指示。諧波衰減模塊和DC-DC轉(zhuǎn)換器自身帶有部分保護(hù)功能，其中諧波衰減模塊內(nèi)部就具有輸入浪涌電流限制、輸入瞬變過電壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、短路保護(hù)等功能，還能在工作不正常時(shí)控制后級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷;而DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部也具有輸入、輸出過壓保護(hù)，輸入、輸出欠壓保護(hù)，輸出過流保護(hù)，過熱保護(hù)等功能。這些完備的保護(hù)功能盡可能的保證了模塊的安全，同時(shí)也增強(qiáng)了開關(guān)電源的安全性。

　　盡管模塊本身的保護(hù)功能很全面，但是有些保護(hù)的范圍并不適合系統(tǒng)的技術(shù)要求。例如我們選擇模塊功率時(shí)，要考慮到降額使用，因此模塊自身設(shè)置的過流保護(hù)點(diǎn)就會(huì)超出技術(shù)要求，若使用模塊本身的過流保護(hù)功能，很可能會(huì)發(fā)生后級(jí)電路已損壞而電源模塊過流保護(hù)還未啟動(dòng)的現(xiàn)象。因此根據(jù)所需要的具體指標(biāo)，專門設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路等。同時(shí)為了迅速判斷電源的工作狀態(tài)以及故障可能發(fā)生的部位，我們?cè)O(shè)置了過壓、欠壓、過流、電源正常的指示燈。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　恒流特性

　　Vicor公司的DC-DC轉(zhuǎn)換器有一個(gè)次級(jí)控制引腳SC，這個(gè)控制端用于調(diào)節(jié)輸出端+Sense和-Sense之間的受調(diào)電壓，將電流源加到SC引腳，模塊的輸出電壓就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

　　圖2為本開關(guān)電源原理圖，圖中N1和N3為運(yùn)算放大器CA3140，N2為電壓基準(zhǔn)TL431，V13為晶體管BC107，它們共同組成了電流源。CD1和CD2為分流電阻，通過分流電阻對(duì)輸出電流采樣，將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，由于該電壓值很低，所以須經(jīng)過差分放大器N3進(jìn)行放大，將這個(gè)放大的電壓值送入運(yùn)放N1的同相端，和由電壓基準(zhǔn)N2分壓得到的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過運(yùn)放N1的輸出來控制晶體管V13的工作狀態(tài)，從而控制SC引腳。正常工作時(shí)，運(yùn)放N1輸出低電平，晶體管V13處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)輸出電流大于額定值達(dá)到恒流點(diǎn)時(shí)，運(yùn)放N1輸出高電平，晶體管V13處于飽和狀態(tài)致使輸出電壓下降，保護(hù)電源，從而達(dá)到輸出電流恒定。同時(shí)運(yùn)放N1輸出的高電平被送至比較器N6的3腳，與基準(zhǔn)電壓比較后輸出高電平，點(diǎn)亮過流指示燈。在這里，N4、N5、N6型號(hào)相同，選用的是自帶基準(zhǔn)電壓的比較器LTC1440CN8，電位器RP3用于調(diào)節(jié)恒流點(diǎn)的值。

　　過壓保護(hù)

　　如圖2所示，輸出采樣電壓經(jīng)過電阻R25，電位器RP6接入比較器N5的3腳，將基準(zhǔn)電壓接入比較器N5的4腳。當(dāng)輸出電壓高于最大輸出電壓時(shí)，比較器N5的8腳輸出高電平，使得光耦N8的4腳和6腳導(dǎo)通，將功率模塊的PC端接地，關(guān)閉電源輸出，同時(shí)點(diǎn)亮過壓指示燈。二極管V14用于在過壓狀態(tài)時(shí)將電源永久關(guān)閉，否則，電源會(huì)處于“打嗝”狀態(tài)。

?

　　圖2 開關(guān)電源原理圖

　　欠壓指示

　　輸出采樣電壓經(jīng)過電阻R24，電位器RP5接入比較器N4的4腳，基準(zhǔn)電壓接入比較器N4的3腳。當(dāng)輸出電壓低于最小輸出電壓時(shí)，比較器N4的8腳輸出高電平點(diǎn)亮欠壓指示燈。在這里，電源處于欠壓狀態(tài)時(shí)僅通過指示燈來指示。

　　電磁兼容

　　電路傳輸線間的傳導(dǎo)干擾、開關(guān)噪聲、輻射噪聲、負(fù)載的容感性等等問題都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。就干擾本身來說，它必備三個(gè)條件：干擾源、耦合路徑和敏感源。在電磁兼容設(shè)計(jì)過程中，主要從減小干擾源、阻斷干擾路徑和加強(qiáng)電源自身抗干擾能力這三個(gè)方面著手。

　　在結(jié)構(gòu)方面，我們將電源機(jī)箱設(shè)計(jì)為一個(gè)相對(duì)密封的屏蔽腔體。腔體底部設(shè)計(jì)為獨(dú)立風(fēng)道，風(fēng)道后部安裝軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)道、軸流風(fēng)機(jī)與屏蔽腔體隔離，這樣既增強(qiáng)了散熱又加強(qiáng)了開關(guān)電源的屏蔽效果。

　　在電路方面采取了如下幾項(xiàng)措施：

　　1、為了避免傳導(dǎo)干擾，在輸入端選用了Vicor公司配套的EMI濾波器，并且使交流輸入端和濾波器端子盡可能靠近，連線盡量短，濾波器的外殼和機(jī)殼緊密相連，良好接地，這樣避免了外部的干擾通過輸入線傳導(dǎo)至電源內(nèi)部。

　　2、在PCB布線上：通過大面積鋪設(shè)地線網(wǎng)，減小地線電感來降低噪聲;盡量縮短信號(hào)線、電源線和功率線，電流環(huán)路也盡可能小，從而減小印制板對(duì)干擾信號(hào)的耦合;所有芯片的電源管腳都接有濾波電容，并使芯片的供電線路盡可能短;輸入電路、高頻電路、輸出電路分別單獨(dú)接地，然后再連接到公共地上，也就是“一點(diǎn)接地”原則。

　　3、 電源模塊本身使用了高頻ZCS開關(guān)技術(shù)，ZCS大大降低了變換過程中開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的dv/dt與di/dt，使模塊本身的開關(guān)噪聲和輻射噪聲干擾變的很小;同時(shí)模塊本身的抗干擾能力就比較強(qiáng)，因此在作為干擾源和敏感源方面，電源模塊都展現(xiàn)出了較好的電磁屏蔽功能。另外，在模塊和機(jī)殼之間使用Y電容來減小共模電流，并在輸出端采用共模電感，加入LC濾波器。

　　結(jié)論

　　本電源完全滿足技術(shù)要求并且順利通過了電磁兼容的傳導(dǎo)和輻射測(cè)試。利用Vicor模塊設(shè)計(jì)的通信基礎(chǔ)開關(guān)電源和分立元件的設(shè)計(jì)相比，電源模塊集成度高、體積小、功率密度大，從而可靠性、穩(wěn)定度相對(duì)較高，并且安裝方便，故障判斷和維修也相對(duì)容易。