多路輸出直流電壓的AC/DC電源模塊設計

摘 要：為了滿(mǎn)足某測試設備對多種直流電源的需求，提出了一種能夠輸出多種直流電壓的AC/DC 電源模塊設計方案。該電源模塊包含濾波整流電路、DC/DC 電路、過(guò)欠壓保護電路和光耦隔離電路等，介紹了部分電路的工作原理和實(shí)現方法，并對電源模塊的過(guò)欠壓保護功能和控制直流電壓輸出的方法進(jìn)行了詳細地介紹。試驗結果表明，該模塊具有輸出電壓穩定、精確度高、可控性好等特點(diǎn)。

　　1 引言

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對設備的狀態(tài)的檢測要求越來(lái)越高，從而要求測試設備能夠提供高精度的準確測試。要實(shí)現高精度的準確測試，測試設備中的電壓信號經(jīng)過(guò)電路后要提供準確的電壓值，這就對電源模塊的準確度提出了很高的要求。

　　在某測試設備的研制過(guò)程中，為了完成測試任務(wù)，該設備需要多種直流電壓信號，并且要求能夠對部分電壓信號的輸出進(jìn)行控制。通過(guò)分析發(fā)現，該測試設備提供給電源模塊的空間很小，且三路直流電壓輸出通過(guò)外部高低電平進(jìn)行控制，現有的電源模塊無(wú)法滿(mǎn)足這一需求；為了解決這一問(wèn)題，設計了一種輸出電壓可控的直流電源模塊，用來(lái)為測試設備提供±12 V、+5 V、+9 V和+6 V 直流電壓信號輸出，同時(shí)能夠根據控制信號輸入端電壓的高低實(shí)現對±12 V 和+5 V 電壓信號的輸出控制，并具有過(guò)欠壓保護和六路光耦輸出控制等功能。該模塊的實(shí)現為需要以上直流電壓信號的測試設備提供穩定可靠、高精度的電源，滿(mǎn)足了電壓可控的需求。

　　2 總體方案設計

　　該電源模塊的系統結構圖如圖1所示，可以看出，220 V交流電壓信號輸入后，首先經(jīng)過(guò)濾波電路模塊進(jìn)行濾波，然后分兩路實(shí)現交直流變換，一路直接經(jīng)過(guò)整流橋得到+300 V直流電壓信號，在通過(guò)DC/DC變換為±12 V和+5 V直流電壓信號；另一路經(jīng)過(guò)10:1的變壓器降壓后再利用整流器進(jìn)行整流，得到23 V直流電壓信號，并分別利用直流電壓集成穩壓器產(chǎn)生+9 V和+12 V電壓，+9 V為基準電壓源供電，與配套電路一起產(chǎn)生相應的直流電壓信號用來(lái)作為控制電路中的基準信號，同時(shí)為指示燈提供正電壓?？刂票Ｗo電路主要分為控制電路和過(guò)欠壓保護電路，控制電路主要是用來(lái)實(shí)現對可控直流電壓的輸出控制，而過(guò)欠壓保護電路主要是用來(lái)實(shí)現對過(guò)欠壓保護，起到必要時(shí)保護三個(gè)DC/DC的作用。

　　圖1 系統總體結構圖

　　3 硬件設計

　?。?）設計目標。

　　該模塊的設計目標為AC/DC 電源模塊，輸入電壓為220 V/50 Hz 交流輸入，輸出直流電壓為±12 V、+5 V、+9 V 和+6 V.

　?。?）濾波整流電路。

　　為了濾除電路中的干擾，電源輸入端采用兩級濾波器SCHAFFNER 的FN 410-3/02，該濾波器的額定電流為3 A，最大工作電壓為250 V 交流，頻率為50/60 Hz，工作溫度為-25℃~+100℃，平均無(wú)故障時(shí)間為675000 小時(shí)。在該電源模塊中，由于每個(gè)穩壓模塊、基準源和直流電壓輸出端等都需要進(jìn)行濾波，因此多選用電解電容，電解電容值的選取從47 μF/25 V 到1000 μF/16 V 不等。

　　整流橋的選擇按照整流電路的不同分為兩種，一種是將220 V 交流整流為300 V 直流電路中，選用了KBPC 108 整流橋，其輸入電壓為50~1000 V、輸入電流為3 A，用來(lái)實(shí)現高壓整流。

　　另一種是低壓整流，在這個(gè)電路中，首先是將220V 交流電經(jīng)過(guò)10:1 的變壓器變壓后，采用整流橋進(jìn)行整流，輸出直流電壓為23 V。

（3）DC/DC 電路設計。

　　為了得到穩定可靠的±12 V 和+5 V 直流電壓，在DC/DC 電路中，分別選用高可靠的DC/DC模塊實(shí)現低壓直流輸出。在低壓側，經(jīng)過(guò)整流后得到23 V 直流電壓，通過(guò)采用不同的集成穩壓器實(shí)現+9 V 和+12 V 輸出，在每個(gè)模塊的輸入輸出端分別加100 μF/25 V 和47 μF/25 V 的電解電容進(jìn)行濾波。在高壓側，產(chǎn)生三個(gè)±12 V 和+5 V 直流電壓，并且要求能夠通過(guò)外部接口輸入高低電平控制這三個(gè)電壓信號的輸出。故選用VICOR的VI-J61-IZ、VI-J61-IY 和VI-J60-IX 電源模塊實(shí)現±12 V 和+5 V 電壓輸出。這三個(gè)模塊的電源輸入端接300 V 直流電源，即可獲得高精度的±12 V和+5 V 電壓，要想對DC/DC 的進(jìn)行輸出控制，只需要控制三個(gè)電源模塊中的Gate In 端即可，三個(gè)DC/DC 電路原理圖如圖2 所示。圖2 中當控制端信號為高電平時(shí)，VT1、VT2 和VT3 工作，此時(shí)DC/DC 的2 端接地，DC/DC 均不工作，±12V 和+5V 電壓不輸出；當控制端信號為低電平時(shí)，VT1、VT2 和VT3 均不工作，此時(shí)DC/DC 均正常工作，±12 V 和+5 V 電壓輸出。

　　圖2 三個(gè)DC/DC 電路原理圖。

　?。?）直流電壓控制電路。

　　直流電壓控制電路的原理圖如圖3 所示。該電路主要由過(guò)欠壓保護電路和外部電壓控制電路兩部分組成。過(guò)欠壓保護電路主要是指當輸入電壓過(guò)高（或過(guò)低）時(shí)產(chǎn)生超過(guò)（低于）300 V 一定比例的電壓后，經(jīng)過(guò)調理電路使電壓比較器MAX973 電壓發(fā)生跳變，從而改變控制信號的輸出，致使DC/DC 的Gate In 端電壓跳變，進(jìn)而使DC/DC 停止工作。外部電壓控制電路是指當外部控制信號輸入端電平發(fā)生改變時(shí)，控制信號的輸出端的電壓發(fā)生跳變，從而改變DC/DC 的Gate In端的電壓，使DC/DC 停止（或開(kāi)始）工作。

　　當外部控制信號輸入為低電平時(shí)，與非門(mén)電路中觸發(fā)器輸出為高電平，此時(shí)計數器清零，經(jīng)過(guò)計數觸發(fā)電路和反相器反相后控制信號輸出為高電平，從而進(jìn)一步驗證三個(gè)DC-DC不工作，相應的DC/DC工作指示燈不亮。當外部控制信號輸入為高電平時(shí)，與非門(mén)電路中觸發(fā)器輸出為低電平，此時(shí)計數器開(kāi)始計數，經(jīng)過(guò)計數觸發(fā)電路和反相器反相后控制信號輸出為低電平，從而進(jìn)一步驗證三個(gè)DC-DC正常工作，±12 V和+5 V電壓輸出，相應的DC/DC工作指示燈亮。

　　圖3 直流電壓控制電路原理圖。

4 實(shí)驗結果

　　該多路輸出直流穩壓電源模塊已經(jīng)應用于實(shí)際設備中，將該電源模塊加220 V/50 Hz 交流電后，得到±12 V、+5 V、+6 V 和+9 V 輸出電壓。

　　±12 V 和+5 V 電壓輸出端的實(shí)測波形如圖4 所示。將該電源模塊放在-55℃~105℃下進(jìn)行試驗，發(fā)現在相同電源的情況下，測得直流輸出電壓不變。

　?。╝）+5 V 直流電壓輸出波形圖。

　?。╞）+12 V 直流電壓輸出波形圖。

　?。╞）-12 V 直流電壓輸出波形圖。

　　圖4 直流電壓輸出實(shí)測波形。

　　5 結束語(yǔ)

　　通過(guò)實(shí)際應用表明，該電源模塊達到了設計要求，不但具有多路輸出直流電壓的功能，而且具有輸出電壓穩定可靠、精度高等特點(diǎn)。