多路输出直流电压的AC/DC电源模块设计 - 全文

　　摘 要：为了满足某测试设备对多种直流电源的需求，提出了一种能够输出多种直流电压的AC/DC 电源模块设计方案。该电源模块包含滤波整流电路、DC/DC 电路、过欠压保护电路和光耦隔离电路等，介绍了部分电路的工作原理和实现方法，并对电源模块的过欠压保护功能和控制直流电压输出的方法进行了详细地介绍。试验结果表明，该模块具有输出电压稳定、精确度高、可控性好等特点。

　　1 引言

　　随着科学技术的不断发展，对设备的状态的检测要求越来越高，从而要求测试设备能够提供高精度的准确测试。要实现高精度的准确测试，测试设备中的电压信号经过电路后要提供准确的电压值，这就对电源模块的准确度提出了很高的要求。

　　在某测试设备的研制过程中，为了完成测试任务，该设备需要多种直流电压信号，并且要求能够对部分电压信号的输出进行控制。通过分析发现，该测试设备提供给电源模块的空间很小，且三路直流电压输出通过外部高低电平进行控制，现有的电源模块无法满足这一需求；为了解决这一问题，设计了一种输出电压可控的直流电源模块，用来为测试设备提供±12 V、+5 V、+9 V和+6 V 直流电压信号输出，同时能够根据控制信号输入端电压的高低实现对±12 V 和+5 V 电压信号的输出控制，并具有过欠压保护和六路光耦输出控制等功能。该模块的实现为需要以上直流电压信号的测试设备提供稳定可靠、高精度的电源，满足了电压可控的需求。

　　2 总体方案设计

　　该电源模块的系统结构图如图1所示，可以看出，220 V交流电压信号输入后，首先经过滤波电路模块进行滤波，然后分两路实现交直流变换，一路直接经过整流桥得到+300 V直流电压信号，在通过DC/DC变换为±12 V和+5 V直流电压信号；另一路经过10:1的变压器降压后再利用整流器进行整流，得到23 V直流电压信号，并分别利用直流电压集成稳压器产生+9 V和+12 V电压，+9 V为基准电压源供电，与配套电路一起产生相应的直流电压信号用来作为控制电路中的基准信号，同时为指示灯提供正电压。控制保护电路主要分为控制电路和过欠压保护电路，控制电路主要是用来实现对可控直流电压的输出控制，而过欠压保护电路主要是用来实现对过欠压保护，起到必要时保护三个DC/DC的作用。

　　图1 系统总体结构图

　　3 硬件设计

　　（1）设计目标。

　　该模块的设计目标为AC/DC 电源模块，输入电压为220 V/50 Hz 交流输入，输出直流电压为±12 V、+5 V、+9 V 和+6 V.

　　（2）滤波整流电路。

　　为了滤除电路中的干扰，电源输入端采用两级滤波器SCHAFFNER 的FN 410-3/02，该滤波器的额定电流为3 A，最大工作电压为250 V 交流，频率为50/60 Hz，工作温度为-25℃~+100℃，平均无故障时间为675000 小时。在该电源模块中，由于每个稳压模块、基准源和直流电压输出端等都需要进行滤波，因此多选用电解电容，电解电容值的选取从47 μF/25 V 到1000 μF/16 V 不等。

　　整流桥的选择按照整流电路的不同分为两种，一种是将220 V 交流整流为300 V 直流电路中，选用了KBPC 108 整流桥，其输入电压为50~1000 V、输入电流为3 A，用来实现高压整流。

　　另一种是低压整流，在这个电路中，首先是将220V 交流电经过10:1 的变压器变压后，采用整流桥进行整流，输出直流电压为23 V。

　　（3）DC/DC 电路设计。

　　为了得到稳定可靠的±12 V 和+5 V 直流电压，在DC/DC 电路中，分别选用高可靠的DC/DC模块实现低压直流输出。在低压侧，经过整流后得到23 V 直流电压，通过采用不同的集成稳压器实现+9 V 和+12 V 输出，在每个模块的输入输出端分别加100 μF/25 V 和47 μF/25 V 的电解电容进行滤波。在高压侧，产生三个±12 V 和+5 V 直流电压，并且要求能够通过外部接口输入高低电平控制这三个电压信号的输出。故选用VICOR的VI-J61-IZ、VI-J61-IY 和VI-J60-IX 电源模块实现±12 V 和+5 V 电压输出。这三个模块的电源输入端接300 V 直流电源，即可获得高精度的±12 V和+5 V 电压，要想对DC/DC 的进行输出控制，只需要控制三个电源模块中的Gate In 端即可，三个DC/DC 电路原理图如图2 所示。图2 中当控制端信号为高电平时，VT1、VT2 和VT3 工作，此时DC/DC 的2 端接地，DC/DC 均不工作，±12V 和+5V 电压不输出；当控制端信号为低电平时，VT1、VT2 和VT3 均不工作，此时DC/DC 均正常工作，±12 V 和+5 V 电压输出。

　　图2 三个DC/DC 电路原理图。

　　（4）直流电压控制电路。

　　直流电压控制电路的原理图如图3 所示。该电路主要由过欠压保护电路和外部电压控制电路两部分组成。过欠压保护电路主要是指当输入电压过高（或过低）时产生超过（低于）300 V 一定比例的电压后，经过调理电路使电压比较器MAX973 电压发生跳变，从而改变控制信号的输出，致使DC/DC 的Gate In 端电压跳变，进而使DC/DC 停止工作。外部电压控制电路是指当外部控制信号输入端电平发生改变时，控制信号的输出端的电压发生跳变，从而改变DC/DC 的Gate In端的电压，使DC/DC 停止（或开始）工作。

　　当外部控制信号输入为低电平时，与非门电路中触发器输出为高电平，此时计数器清零，经过计数触发电路和反相器反相后控制信号输出为高电平，从而进一步验证三个DC-DC不工作，相应的DC/DC工作指示灯不亮。当外部控制信号输入为高电平时，与非门电路中触发器输出为低电平，此时计数器开始计数，经过计数触发电路和反相器反相后控制信号输出为低电平，从而进一步验证三个DC-DC正常工作，±12 V和+5 V电压输出，相应的DC/DC工作指示灯亮。

　　图3 直流电压控制电路原理图。

　　4 实验结果

　　该多路输出直流稳压电源模块已经应用于实际设备中，将该电源模块加220 V/50 Hz 交流电后，得到±12 V、+5 V、+6 V 和+9 V 输出电压。

　　±12 V 和+5 V 电压输出端的实测波形如图4 所示。将该电源模块放在-55℃~105℃下进行试验，发现在相同电源的情况下，测得直流输出电压不变。

　　（a）+5 V 直流电压输出波形图。

　　（b）+12 V 直流电压输出波形图。

　　（b）-12 V 直流电压输出波形图。

　　图4 直流电压输出实测波形。

　　5 结束语

　　通过实际应用表明，该电源模块达到了设计要求，不但具有多路输出直流电压的功能，而且具有输出电压稳定可靠、精度高等特点。