带后备电池的多路隔离输出开关电源

    随着社会经济的高速发展，人类对于电能的需求量越来越大。在化石能源等不可再生、能源日益短缺的情况下，越来越多的国家意识到节约能源与开发可再生能源的重要性。因此近几年，高压直流输电、太阳能发电等高新技术得到快速发展。而这些高新技术的发展都离不开性能日益提升的大功率可控器件，如IGBT。这些大功率器件往往功率较大、集成度高、价格昂贵，且需要有适合其工作的驱动电路。由于这些大功率器件在工作中往往是多只组合构成桥式电路工作，每只功率器件都是独立的，因此其驱动电路所需电压必须由多路隔离的直流电压提供，而这种多路隔离的直流电压输出一般都由开关电源实现。开关电源一般由市电为其供电，只要市电正常，开关电源就可工作，并能输出稳定的多路隔离直流电压。一旦市电发生故障，开关电源的输出电压就会下降，而由于连接大功率开关器件的直流母线上并联着容量较大的电解电容，开关电源输出电压下降必然导致驱动电路的电压下降，由此很可能导致功率器件在应该关断的时刻不能立即关断而烧毁。因此，驱动电路的供电开关电源对整个系统至关重要。为了保证功率器件可靠工作，其驱动电路应该能不间断工作；或者在市电断电的情况下，保持供电一段时间，让功率器件都相继关闭再断电。由于开关电源是多路隔离输出，且电压等级也有很多种，如果为每一路输出都配备一只蓄电池，虽然可以保证系统在市电断电情况下运行一段时间，但蓄电池数量较多，需要很多充电器，且节点繁多，维护不便，使可靠性大打折扣。为保证市电断电情况下多路隔离输出开关电源继续工作，且只使用一只蓄电池，本文设计了一种带后备电池的不间断多路输出开关电源，该开关电源能在市电断电的情况下继续提供直流电压，并能将市电故障信号提供给控制电路。
1 带后备电池的多路隔离输出开关电源的构成
    带后备电池的多路隔离输出开关电源结构框图如图1所示。

    在市电正常情况下，市电同时给多路隔离输出开关电源和辅助电源供电。多路隔离输出开关电源输出多组相互隔离的直流电压为负载供电，针对不同的负载供电要求，可以设计出相应的多路隔离输出开关电源，而这种多路隔离输出开关电源的主电路形式都是相同的，只是输出电压的等级和数量有所不同。在多路隔离输出开关电源工作的同时，辅助电源也从市电获取电能，为充电/控制器供电。在市电正常的情况下，充电/控制器为蓄电池充电，蓄电池充满电时，充电/控制器对蓄电池进行浮充电；同时充电/控制器为升压电路提供电源，让其工作，输出设定的高压直流电。
    当市电因故障断电时，辅助电源断电。由于升压电路输出高压直流电，且并连着电解电容，因此可为多路隔离输出开关电源即时供电。此时，蓄电池立即投入工作，为升压电路供电。蓄电池受其容量限制不可能无限时地为负载供电，因此充电/控制器不断检测蓄电池的电压状态，当电压低至一定值时（一般25 ℃时，单节电池1.8 V），充电/控制器将停止蓄电池对负载的供电，以免蓄电池因过放电而导致寿命提前终结。为了保证多路隔离输出开关电源所带负载的安全工作，充电/控制器切断蓄电池供电前将通过对外通信接口将信号传递给多路隔离输出开关电源所带负载中的控制电路，让其逐步关闭大功率开关器件，并响应充电/控制器。这样充电/控制器即可安全断开蓄电池，同时充电/控制器中的MCU关闭一切可能耗电电路，进入休眠状态，以进一步降低功耗。当市电恢复正常时，多路隔离输出开关电源开始工作，同时辅助电源工作，充电/控制器开始为蓄电池充电，升压电路也开始工作。
    如果在市电断电后蓄电池开始工作期间，市电又恢复正常，蓄电池将立即停止为升压电路供电，且充电/控制器开始对蓄电池充电。蓄电池中的电能始终为备份作用，且在市电正常状态时，充电/控制器会补充其储能或让其容量保持在最大状态。
2 多路隔离输出开关电源构成及其工作原理
    多路隔离输出开关电源的主电路为反激式拓扑结构，采用UC3844作为工作芯片。UC3844只需配合少量的外部电路即可正常工作，UC3844可构成微调的振荡器，能进行精确的占空比控制，提供温度补偿的参考，具有高增益误差放大器[1]，电流取样比较器和大电流图腾柱式输出可较好地驱动MOSFET。同时UC3844还具备完善的保护功能。其原理框图如图2所示。

    图2所示为多路隔离输出开关电源，设计工作电压为85 V～265 V，功率为45 W。输入侧由整流、滤波、RCD吸收电路等组成。RCD吸收电路可吸收在MOSFET关断期间原边绕组电感中的储能。偏置绕组为UC3844正常工作提供电源，通过过流检测电阻将流过原边绕组及MOSFET的电流转换成电压值传至UC3844。只要电流超过设定值，UC3844将关断MOSFET。改变电阻阻值的大小可改变过流保护的最大电流值。由TL431及光耦组成的反馈电路取样主输出电路的电压值，产生相应的通断信号反馈至UC3844，从而调节MOSFET驱动信号的占空比，进而保持主输出电压的稳定。主回路以外对电压精度要求不高的其他输出绕组可直接输出，如图2中的V3和V4，且这两路输出可同时输出正负电压，以满足大功率开关器件的驱动要求。如果对输出电压有精度要求，则可采用图中V1和V2方式，在输出端串联78系列三端稳压芯片。图2只是一个示意图，在实际使用时，可根据负载电路的需求增加或减少输出电压的数量及改变其电压参数。
3 升压电路[２]及充电/控制器
    升压电路把辅助电源或蓄电池的低电压转换为约110 V的直流电压，主电路拓扑结构为推挽式，主控芯片为TL494。TL494可输出带死区的两路互补的PWM信号，因此很适合驱动两个MOSFET[３]。MOSFET选择IRF3205，其导通阻抗为8 mΩ，耐压55 V，可流过的最大电流为110 A。整个电路的工作原理是：TL494产生PWM信号驱动MOSFET，两个MOSFET工作于高频开关状态，这样变压器的两个原边绕组就产生了高频脉动信号，在副边产生相应的高频电压，副边输出电压与输入电压和匝数比有关。输出侧的高频电压经过二极管整流，电容滤波后变成所需的直流电压，同时输出侧直流电压经稳压管及光耦反馈至输入端，以保持输出侧电压的稳定[４]。电路原理图如图3所示。

    充电/控制器采用ATMEGA8作为其MCU[5]，该单片机内部资源丰富，有ADC、PWM等模块，因此无需外部扩展即可实现相对复杂的电路控制。在本系统中，控制电路主要实现对铅酸蓄电池的充电、浮充、市电状态检测以及蓄电池与升压电路的通断等功能。市电正常时，辅助电源对控制电路供电；市电发生故障中断时，蓄电池为其供电。
4 实验结果
    整个系统中，升压电路是连接备用电池与多路隔离输出开关电源的核心部件。升压电路主电路为推挽式电路。驱动信号频率约50 kHz，幅值约5 V，互补的一对驱动信号加于原边的两只MOSFET，使两个MOSFET互补通断，且两信号间附加一个死区，以防止两个MOSFET直接导通而发生短路。这种驱动方式可使高频变压器的工作更加稳定，防止变压器磁通饱和。
    升压电路的输出波形如图4所示。升压电路变压器的输出为频率约50 kHz的高频方波交流电压，其幅值约110 V，随着蓄电池的电压变化，输出幅值略有变化，但有反馈的存在，变化范围很小。由于此时输出的电压为方波交流电压，且频率很高，所以不能直接接入多路隔离输出开关电源的输入端。为了能够将升压电路的输出电压安全地与多路隔离输出开关电源的输入端相连，必须对其进行整流滤波，以直流电压形式接入。由于交流电压频率很高，因此需选择频率特性良好的二极管，本系统中选择反向恢复时间很短的FR107作为整流管。升压电路输出经整流、滤波后的电压为幅值约110 V的直流电。

    图5所示为市电掉电时,多路隔离输出开关电源加入后备电池前后输出电压情况。

    在不接入后备电池与升压电路的情况下，当市电断电时，多路隔离输出开关电源输出其中的一路(15 V)，电压开始下降，但不会立即降为零，这是由于输出侧的电容中储存了一定电能。经过约0.25 s电压已降至10 V，如果此时开关电源对外接有负载，很可能导致负载中的大功率器件驱动电路发生紊乱，导致严重事故。经过约1 s的时间，输出电压已降至0 V。如果要使多路隔离输出开关电源不间断输出，必须增加后备电源。接入后备电池与升压电路后，在黑色箭头所示时刻市电突然掉电，多路隔离输出开关电源输出中的一路（15 V）输出波形。由于输出侧滤波电容的储能作用，所以在市电掉电时，多路隔离输出开关电源的输出不受任何影响。
    本文将蓄电池结合升压电路作为多路隔离输出开关电源的后备电源，在市电发生故障掉电时，后备电源接入系统工作，保证多路隔离输出开关电源输出的稳定。结果表明，整个系统工作可靠，不足之处在于后备电源会消耗一部分电能，降低整个系统的效率。
参考文献
[1] 刘俊，楚君，王玲．一种基于UC3844的多路输出开关电源设计[J].电子工程师，2007，33（9）：49-52.
[2] 胡维昊，裴云庆，王兆安．推挽正激多重化DC/DC变换器的研制[J]．电力电子技术，2006，40(5)：20-22．
[3] 丁成伟，高鹤，赵义忠，等．一种实用车载逆变器的设计[J].电子产品世界，2008（1）：88-89.
[4] National Semiconductor Corporation.LM25037 voltage mode PWM controller with alternating outputs[C].America：[s.n.].  2008.
[5] 马潮，詹卫前，耿德根．ATmega8原理及应用手册[M]．北京：清华大学出版社，2003．