概述
該設(shè)計以DC-DC變換器為核心，實現(xiàn)220V市電至+60V/20A的電源轉(zhuǎn)換。電源設(shè)計中采用功率因數(shù)校正技術(shù)，提高了有功功率；特別是電源設(shè)計了微機(jī)控制接口，與隨動系統(tǒng)同步工作，并實現(xiàn)了上電時序控制，確保+60V電壓相對低壓輸出滯后上電。采用多重濾波措施和雙絞線輸出方式，有效降低輸出電壓紋波，提高電源輸出質(zhì)量；具備完善的自保護(hù)功能和監(jiān)控檢測功能，提高了電源的安全性和可靠性。
電源設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
220V交流電壓經(jīng)整流和濾波后得到320V左右的直流電壓，加至電源模塊輸入端。單DC-DC模塊的最高輸出電壓一般為+48V，要得到+60V的直流輸出電壓，必須采用模塊串聯(lián)的方法得到。設(shè)計采用兩塊PH600S280-28 DC-DC模塊(調(diào)至+30V輸出)，通過串聯(lián)得到+60V的輸出電壓，如圖1所示。
圖1 模塊串聯(lián)方式 快恢復(fù)二極管D1、D2為串聯(lián)方式中的保護(hù)器件，要求D1、D2反向耐壓大于兩倍的電源額定輸出電壓，電流大于兩倍的電源額定輸出電流，正向?qū)▔航祽?yīng)盡量小。由于是采用兩個電源模塊串聯(lián)構(gòu)成電源系統(tǒng)，在一個有限制的封裝內(nèi)完成設(shè)計有一定困難，有的模塊串聯(lián)方案采用兩個封裝完成設(shè)計，即設(shè)計兩個30V的獨立電源，再進(jìn)行外部串聯(lián)構(gòu)成+60V電源系統(tǒng)。本設(shè)計通過合理配置空間，在電源上下盒蓋中各安裝一個DC-DC模塊，以金屬殼體作為散熱手段，采用緊湊的設(shè)計和安裝技術(shù)將整個電源系統(tǒng)封裝在一個較小的空間內(nèi)，使整個電源體積、重量大大減小，截面積僅為6×9英寸2，實現(xiàn)了小體積大功率的一體化電源系統(tǒng)設(shè)計。
功率因數(shù)校正措施
開關(guān)電源的橋式整流、大電容濾波電路令整體負(fù)載表現(xiàn)為容性，使220V交流輸入的電流電壓相位產(chǎn)生差異，造成功率因數(shù)低下，有功功率下降并產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)，因此必須采取功率因數(shù)校正(PFC)措施。基于成本控制、電路體積及應(yīng)用方便等因素考慮，我們采用被動式功率因數(shù)校正措施。被動式PFC結(jié)構(gòu)簡單，針對電源的整體負(fù)載特性表現(xiàn)，在濾波大電容之前串接一個參數(shù)適宜的功率電感，這里采用10mH/8A的環(huán)形磁心電感。強制平衡電源的整體負(fù)載特性，保證功率因數(shù)不低于0.8。被動式PFC采用電感等無源元件，工作可靠成本低廉，且無需對原電氣設(shè)計進(jìn)行修改，是目前常用的PFC方法。
設(shè)計特點與關(guān)鍵技術(shù)
微機(jī)控制和檢測接口
微機(jī)控制(圖2)功能可以確保+60V/20A電源只在計算機(jī)送出使能信號、伺服系統(tǒng)工作的狀態(tài)下啟動輸出，平時電源無輸出。這種電源與隨動系統(tǒng)同步工作的方式，具有省電、低發(fā)熱、控制靈活等一系列優(yōu)點。在某裝備電源系統(tǒng)的一系列電源中，+60V/20A電源功耗最大，但發(fā)熱量最小，溫升最低，充分證明了電源設(shè)計中采用計算機(jī)控制接口的優(yōu)越性。
圖2 微機(jī)控制接口 電源內(nèi)部還提供針對+60V的微機(jī)檢測接口，進(jìn)行開關(guān)量方式的實時檢測，如圖3所示。+60V電壓作為檢測光耦的輸入驅(qū)動，光耦輸出作為檢測口與微機(jī)數(shù)字I/O口連接。正常情況下檢測口為低電平，一旦+60V輸出消失或大幅降低，光耦的輸出電平將由低到高發(fā)生跳變，提供給微機(jī)I/O口。
圖3 微機(jī)檢測接口上電時序控制 直流電機(jī)控制系統(tǒng)中存在上電時序問題，一般情況下驅(qū)動電壓上電速度快，而控制電路電壓上電后控制電平的建立需要一定時間。這樣如果不進(jìn)行上電時序控制，在系統(tǒng)上電的瞬間，高壓比低壓上電速度快，控制電平的建立相對滯后，導(dǎo)致在上電瞬間隨動系統(tǒng)失控，電機(jī)出現(xiàn)短時間的失控轉(zhuǎn)動，尤其是在雙極性控制方式中。傳統(tǒng)的解決方法通過設(shè)立高、低壓開關(guān)手動控制上電時序，或是在控制系統(tǒng)中設(shè)計上電時序控制電路，這樣必然增加了電路的復(fù)雜性，造成電路成本增加同時可靠性降低。而在電機(jī)驅(qū)動電源上解決這一問題，措施簡單有效，工作原理為：CNT端為模塊使能控制端，可以控制模塊的工作狀態(tài)，作為輸出電壓的控制開關(guān)。通常采用光耦來控制CNT端的狀態(tài)。只需增加一只光耦，即可解決上電時序問題。如圖2所示，光耦輸入端由電機(jī)控制電路的工作電壓+5V控制，這樣+60V電源輸出必然滯后于低壓+5V，實現(xiàn)了上電時序控制功能，從根本上解決了前述問題。
電源保護(hù)功能與電磁兼容措施
模塊內(nèi)有過流、過壓、過熱保護(hù)功能，使用外接電位器可在額定輸出電壓±10%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在電源系統(tǒng)設(shè)計中，我們在220V整流后的高壓輸入端、＋60V輸出端等關(guān)鍵部位采用TVS浪涌吸收器對電壓瞬變和浪涌沖擊進(jìn)行防護(hù)抑制措施，以旁路吸收的方式保護(hù)了電源系統(tǒng)，同時降低了電磁干擾，提高了電源系統(tǒng)可靠性與壽命。
我們實驗測得的+60V輸出電壓紋波在800mV~1000 mV，明顯偏大。通過在電源系統(tǒng)調(diào)整端和輸出端采用聚脂電容濾波，電源內(nèi)部采用雙絞線走線方式等濾波措施，最終使得+60V電源系統(tǒng)的輸出紋波控制在200mV~400 mV，滿足了+60V/20A電源紋波電壓≤600mV的使用要求。
結(jié)語 直流電機(jī)專用伺服驅(qū)動電源，已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的開關(guān)電源，它直接參與了直流電機(jī)的控制工作，其特有的微機(jī)接口控制和上電時序控制功能尤其適合直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，相對傳統(tǒng)的通用型大功率電源有著明顯的的技術(shù)優(yōu)勢，其多功能的技術(shù)特點，符合電機(jī)驅(qū)動電源系統(tǒng)的發(fā)展方向。本專用電源已正式交付使用，成功應(yīng)用在某型號天文導(dǎo)航裝備上，功能實用、控制方便，工作穩(wěn)定可靠。
參考文獻(xiàn)：
1. LAMBDA公司，LAMBDA模塊應(yīng)用說明手冊，2003
作者：華中光電技術(shù)研究所(武漢) 李為民 吳曼曼
