一種帶有UPS功能的多路輸出電源的設計

0 引言
某電信設備用電源要求輸入為AC 220V，有5V/6A、12V/4A、-12V/0.3A、24V/4A四路DC輸出。并且要求具有在線UPS功能，交流停電時要無間隙切換，保證設備繼續(xù)正常供電，直至營業(yè)廳最近一筆業(yè)務辦彈完畢，系統(tǒng)處理保存完各種數(shù)據(jù)后允許關機(上位機給電源發(fā)出關機信號)方可斷電，且要求成本低廉。

1 方案選擇
常用方案為交流輸入側加一個輸出AC 220 V的UPS，后面為AC/DC多路輸出開關電源。但這種方案線路較復雜，成本較高?？紤]到該電源的具體要求，我們確定了以下方案：電源分兩級，第一級為AC/DC，將AC 220V變換為DC 24V，一方面為24V負載供電，同時給24V蓄電池充電(因為該電源中蓄電池為備用電源，為浮充使用狀態(tài)，故充電電壓取2.275V/cell，24 V蓄電池的浮充電壓即為2 275x12=27.3 V。因而實際輸出電壓設計為27.3V，以對蓄電池浮充電，24V負載允許15％電壓波動)。第二級為DC/DC，將24 V變換為5 V及12V多路輸出。這樣，既滿足了使用要求，電路又較簡單，成本較低。該電源原理框圖如圖1所示。

2 工作原理及設計要點
2.1 第一級AC/DC
考慮到輸入為AC 220V，為降低開關器件電壓定額，主電路拓撲采取半橋方式，fk50 kHz，PWM控制芯片采用TL494。眾所周知，TL494是TI公司生產的使用非常廣泛的電壓型PWM控制芯片，包含兩個誤差放大器，一個振蕩器，一個死區(qū)時間控制比較器(DTC)，一個脈沖調整控制觸發(fā)器，一個5 V精度5％的基準電源及輸出控制電路。該芯片可通過輸出控制端(腳13)接地或接基準電壓Vref選擇輸出為單端并聯(lián)方式或推挽工作方式。在本電源中，TL494 工作于推挽工作方式。一個誤差放大器用作輸出電壓反饋控制，一個誤差放大器用來進行一次側過流保護，DTC用來進行輸出電壓過壓保護，因為在DTC上電壓為0～3.3 V時，死區(qū)時間占空比在3％～100％間線性變化。TL494對接線路如圖2所示。

為了保證蓄電池不會放虧，延長電池使用壽命，設有欠壓保護電路，如圖3所示。

由圖3可見，不論何種原因，當電壓低于蓄電池終止電壓(理論值21 V，實際設計值為2I.5 V)時，繼電器觸點斷開，切除蓄電池負載，并保持該狀態(tài)至下次交流恢復供電，為防止在動作值臨界點附近比較器輸出產生振蕩，加有正反饋環(huán)節(jié)，使比較器輸入信號產生回差滯環(huán)。
2.2 第二級DC/DC
由于DC/DC部分輸出功率不大，約80 W，且為多路輸出，故采用單端反激線路是合適的。工作頻率fk取100 kHz，PWM控制芯片采用UC3845A，該芯片是一種常用的低成本電流型PWM控制芯片，除包含一個誤差放大器、一個內部振蕩器、一個5 V基準電源、一個欠壓保護比較器及大電流圖騰柱輸出級外，該芯片還包含一個電流傳感比較器，因而具有逐脈限流的特點。利用該特點實現(xiàn)了初級電流逐脈限流保護，并據(jù)此設計了簡單、實用的輸出側5V、12 V過壓保護電路，當出現(xiàn)過壓時，對應穩(wěn)壓管擊穿，晶閘管引起逐脈限流保護。
因為DC/DC的5 V、12V輸出負載在啟動時變化較大，且時序不同，單用5V一路反饋信號，雖可使5 V在啟動及正常工作時保持穩(wěn)定，但12V的電壓其穩(wěn)定性在啟動時受5 V負載變化的影啊較大，亦即動態(tài)交叉負載調整率較大，不滿足設備使用要求。為提高12V的輸出電壓的穩(wěn)定性，引入了 12 V輸出的反饋信號，如圖4所示。

在12V輸出與 UC3845A的腳2反饋端VFB加反饋電阻(實際應用中，為方便滿足設計電阻位，設汁為兩個串聯(lián)或并聯(lián)的電阻)，因原副邊共地，故直接分壓反饋，不用光耦隔離，簡單、準確、響應快，取反饋比例系數(shù)K=0.5，因5 V單一反饋時流入VFB腳的反饋電流IFB=(5-2.50)/(5.1xlO3)=490(μA),故12V反饋電流為K4x90=0.5x490=245(μA)，則12V輸出與VFB間電阻值為(12-2.50)/24510-6=38.8Ω,取電阻標稱值39kΩ。而5V輸出與VFB間的反饋電阻值為(5-2.5)/245x10-6=10.2(kΩ)，取電阻標稱值10kΩ。根據(jù)實際情況，可調整12V輸出的反饋深度，即調整反饋比例系數(shù)K，也可引入更多路的反饋信號，各路反饋信號的反饋比例系數(shù)可調整，但其總和應為1，此即為所謂多路比例反饋。引入12V反饋信號后，12V穩(wěn)壓精度提高，5V穩(wěn)壓精度略有降低，滿足了設備動、靜態(tài)要求。
因電源所帶負載包括CPU及大規(guī)模集成電路，對電壓沖擊較敏感，故在5V及12V反饋電阻上并聯(lián)有電容引入微分反饋信號，以抑制開機時各輸出電壓的上沖幅值。

3 高頻變壓器設計
AC/DC高頻變壓器采用El-40立式磁芯，材質為鐵氧體PC40，采用“初包次”的繞法，即靠近磁芯最里層先繞一半匝數(shù)初級繞組，再繞次級繞組及輔助電源繞組，末了最外層再繞剩下的一半匝數(shù)初級繞組，亦即所謂“三明治”繞法，使初、次(原、副邊)級耦合較好，漏感小。
DC/DC高頻變壓器采用EER28立式磁芯，材質為鐵氧體PC40，氣隙取1.06 mm，采用“三明治”繞法，同時因為副邊為多路輸出，故副邊繞組采用堆疊法繞制，以加強耦合，減少漏感，降低成本。對于輸出電流較大的繞組，采用多股并繞方式繞制，以減小集膚效應，增強耦合。

4 結語
該電源實測表明，滿載時各輸出電壓紋波峰峰值Vp-p(頻帶寬20MHz)如表1所列。

一級AC/DC效率η=88％，二級DC/DC效率η=75％，各保護環(huán)節(jié)工作可靠，滿足設備啟動及正常工作的要求。該電源已批量生產近一年，實際運行可靠穩(wěn)定，性能良好。