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发布时间:潘红伟 董平
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摘 要:随着新型功率器件的出现,开关电源逐步取代了线性电源的应用领域,该文简要分析了3DX50中波发射机二进制电源应用PWM电路设计的开关电源工作原理。

关键词:开关电源;PWM调制电路;占空比

1 前 言

3DX50中波发射机二进制电源由以往的线性电源改为模块化的开关电源,采用了PWM脉宽调制开关控制技术为二进制功放提供+75V和+150V稳压电源。PWM调制开关电源由于效率高,稳压范围宽,线性度好等特点,故在二进制电源设计中得以采用。

2 二进制电源工作原理

3DX二进制开关电源采用PWM脉宽调制技术,是电压控制式的开关型稳压电路,为了降低功耗,提高效率,使调整管工作始终处于放大状态变为开关状态,既要么饱和导通,要么截止。导通时,有大电流通过,但因管压降小,故功耗不大;截止时,虽然管压降大,但此时电流很小。由于调整管工作于开关状态,所以调整管输出的是开关电压,经过续流平滑滤波环节把开关电压变换成直流平稳电压。为了使输出电压自动调整,应对调整管的开关状态进行控制,一般是通过输出误差电压反馈和输入斜坡电压进行比较,比较后的输出信号对调整管的通/断时间进行控制以达到稳压的目的。

二进制电源由300V输入,输出75V和150V电源分别给低位、高位二进制模块供电。75V供给含1/16、1/32和1/64射频电压二进制功放台阶(LSB);150V供给含 1/2、1/4和1/8 射频电压二进制功放台阶(MSB),使二进制台阶累计成一个大台阶。当输入或输出有过压、欠压、过流和PWM无推动时,电源可以实现自保。

1. PWM调制电路

二进制电源中的PWM脉宽调制电路是在控制电路输出频率不变的情况下,通过输出电压反馈调整其占空比,从而达到稳定输出电压的目的。其核心是PWM调制器,它是一个比较器,将频率一定的斜坡电压与输出反馈的误差电压进行比较,产生占空比可调的推动信号来控制调整管的通断时间,以此来输出开关电压。斜坡信号是由控制电路产生固定频率的时钟信号,时钟频率决定PWM调制器的开关频率,经过积分、峰值检波、AGC电路处理后产生。无论因何原因使负载电压发生变化形成误差电压,然后反馈至比较器输入端和斜坡电压进行比较,PWM调制器输出的占空比自动调整,其占空比随误差电压而变化,即实现了自动稳压,这个过程就是PWM调制。

具体来讲,二进制电源由U4可编程逻辑控制电路输出射频信号给PLL锁相环电路,锁相后起到了稳定输出时钟频率,减少电源输出噪声的作用。然后,U4输出160kHz的时钟信号CLOCK,如图1,时钟信号经过积分电路U17变换成三角波,一路由负峰值线性检波器检出三角波的负峰值,并把这个值采样后和积分电路另一路斜坡电压信号经U19反向求和使三角波的电平提升到0伏以上,再经过U23-AGC电路处理使PWM变化率保持恒定。U27比较器将来自AGC电路的变化率和输出误差电压反馈变换成一个占空比可变PWM调制信号。PWM电路中,U23满足W=5X1/U2这个关系式,U25的输出电压直接控制U2,U19的输出作为U23的差动输入X1,U23的输出W为U27提供斜坡电压信号,U23在这里的作用就相当于一个自动增益控制器AGC。

图1中负峰值检测电路是对三角波信号的负峰值进行采集并保持,为了改善电路性能,使C86电容电压跟踪输入电压,即输出最大程度的跟随输入电压,在输入端增加U20电压跟随器作为输入缓冲;为了使二极管对电容快速充电提高电路的检测速度及检测精度,在U20的负反馈支路增加一个检波二极管CR9构成反馈放大器,同时限制了CR10的反向电压。U25是对电容电压进行缓冲,以平衡通过R117和负载所引起的放电;另外,反馈电阻R117给CR9提供了一个电流通路,以防止U20在检测到一个新的峰值后进入负饱和区以便于立即跟随。

当输入三角波正半周时,U20输出正信号,CR9导通,CR10截止,输出为零;当输入负半周时,U20输出负信号,由于虚断,CR9截止,CR10导通,继续给C86充电保持其峰值,输出负信号加到U25缓冲后检测出负峰值。

2. 75V稳压电路

下图2是二进制75V电源的原理框图。Q5为调整管,工作在开关状态,源极接至由续流二极管CR8、电感L3和电容C83组成的续流滤波电路,栅极接U15和U13组成的开关推动电路,U27的输出经推动电路控制调整管的工作状态。

其原理:刚打开电源时,Q5处于截止状态,漏极输入300V而输出接近0V。输出电压(75V OUT)被U27的输出脉冲占空比所控制,随着这个占空比增加,输出驱动脉冲DRV_75送至推动电路产生75-GATE栅极驱动信号使Q5导通,电流流过 L3,输出电压随之开始上升。如果75V不稳定或负载发生变化引起的误差电压,通过由R107和R96组成的分压电路对75V输出电压进行采样与U18的输入参考电压进行运算,产生75V_PWM_CNTRL电压反馈信号至U27的同相输入端和75V斜坡电压作比较,U27输出的PWM已调信号用来控制调整管的导通与截止时间,以达到稳定75V电压的目的。例如:当75V增大时,Q5由饱和导通转变为截止的时间提前,导通时间缩短,使输出下降以维持75V不变,反之亦然。可见输出电压的自动调整是借助于Q5的开关时间或输出脉冲宽度来实现的。

另外,U18的输入参考电压由300V电压经 R136、R138、R142、R145和 R79分压后得到,,根据需要由安装在前面板的电位器 R2可以调整75V电源的大小。

3. 150V稳压电路

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