一種帶過載保護的開關穩壓電源設計方案

引言

近年來，隨著我國農產品需求量的增加，農業自動化水平的提高，以及大量農業機械、電氣照明和溫控設備的增加，農業電耗逐年增加，生產成本不斷提高。隨著電子技術的迅猛發展，開關穩壓電源已作為一種較理想的電源為人們所使用，其運用功率變換器進行電能變換，能夠在滿足各種農業用電的前提下，降低電耗，其高效節能可帶來巨大的農業經濟效益。然而當前的農業用開關穩壓電源，雖然體積小，效率高，但輸出電壓的紋波較大 ,難以保證輸出電壓高穩定性，常常影響農用機械和電氣設備的連續生產，反而增加了耗能。為此，本文提出一種新的帶過載保護的開關穩壓電源設計方案，能為農用大型機械和農業照明設備電路提供穩定的電源，具有比較廣闊的應用和發展前景。

1 　方案論證

1. 1 　DC2DC主回路拓撲電路方案論證

目前，DC2DC 主回路設計方案可考慮的方案有3 種。

(1) 單端正激式電路。該電路的電路原理圖如圖1 所示。

該方案結構簡單，成本低，但變壓器鐵心易磁化，MOS 管導通時向負載供電，變壓器并沒有實現充分利用，效率不高，而且輸出電壓紋波大。該方案實現簡單，目前為大部分農業機械和電器設備采用，但難以保證穩定持續的工作，應用效果并不理想。

(2) 全橋整流式電路。圖2 所示為全橋整流式電路。該方案采用了4 個MOS 管，工作時對管同時導通，半周期內Q1、Q3 導通，Q2、Q4 截止，然后Q2、Q4 導通，Q1、Q3 截止。這樣的工作方式使每半周期都有2 個MOS 管來分壓，對MOS管的耐壓要求就降低了，適用于高壓場合，但由于使用了4個MOS 管，使得損耗功率增加，開關損耗同時增加。考慮到農業機械一般功率較大，采用該方案必然降低電能利用率，導致大量的能耗損失。

( 3) 雙管推挽放大電路。圖3所示為雙管推挽放大電路。該方案采用了2 個MOS 管輪流導通，比采用4 個MOS管損耗低，而且輸出電壓比單端方式的要穩，為達到設計所需要的效率，本文選用了該方案。

1. 2 　控制方法及方案論證

1. 2. 1 　鍵控、穩壓及顯示控制

常用的方案有2 種。

(1) 數字芯片方案。采用數字電路搭建控制平臺，用tlc4066 與74ls07 通過按鍵用74ls07 計數，并通過4066 來選通分壓電阻的電壓，輸入給PWM芯片，從而控制輸出電壓。用A/ D 采樣給數碼管顯示，但A/ D 控制不易實現而且顯示部分電路難以實現。

(2) 嵌入式方案。采用51 單片機小系統板對PWM芯片進行控制，并對A/ D 和D/ A 進行控制和采樣。采用以7279 為核心的按鍵掃描顯示模塊進行鍵控和顯示。該方案編程比較容易，控制很方便，顯示也很容易實現。經綜合比較考慮，筆者選擇采用嵌入式解決方案。

1. 2. 2 　PWM芯片的選取

TL494 是很常用的PWM芯片，但是外圍電路復雜，缺少圖騰柱式輸出，且驅動能力不強。而SG3525 芯片的驅動能力要比TL494 強，性能穩定，并且以圖騰柱式輸出，驅動變壓器設計簡單，外圍電路比TL494 簡潔。

因此，PWM芯片的設計中選用SG3525。

1. 2. 3 　過流保護自動控制

(1) 純硬件實現自動保護控制。在負載端采樣電壓，通過一個比較器輸出一個電平控制可控硅的導通，由可控硅的狀態來控制SG3525 的shutdown 端，從而控制輸出狀態。當負載正常時可控硅關斷，shutdown 端為低電平，芯片正常工作;當負載過流時，通過取樣電阻給比較器輸出一個高電平，高電平通過一個電容送到一個與可控硅并聯的三極管基極，使三極管導通，從而關斷可控硅。該方案邏輯關系很強，參數選擇嚴格，不容易實現，不適用于該系統。

(2) 軟件實現自動保護控制。在負載端采樣電壓，通過單片機來查詢負載電平的高低控制SG3525 芯片的shutdown 端口來控制輸出，從而達到保護的目的。該方法簡單，且為后續智能化過載保護的實現提供基礎。通過對該電源電路進行方案論證，該系統的原理圖如圖4 所示。

1. 3 　提高效率方法及解決方案

由于損耗主要來源于器件本身以及一些開關元件的寄生電阻和進行開關操作時的開關損耗，因此在設計電路時要盡量減少損耗元件的個數，選用耗能小的元件，采用比較理想的開關元件;并且變壓器的選取和繞制也對效率有影響。

1. 3. 1 　功放電路解決方案

為了降低損耗只能選用2 個晶體管，并且要求它本身的導通壓降很低，降低了損耗，并且開關速度很快，讓開關在瞬間完成，才能夠最大限度地降低開關損耗和開關噪聲。