基于Vicor模块的通信开关电源设计[ ]

　　基本技术指标是输入电压220VAC±20%、输出DC +48V/20A、输出电压调整范围+49~+59V、效率≥80%、电压稳定度＜0.5%、负载稳定度＜1.5%、纹波电压Vp-p＜0.5%，具有输出过压、限流、过温和短路保护。

　　工作原理

　　开关电源原理框图如图1所示。

　　图1 开关电源原理框图

　　交流输入

　　输入220V交流电压后，经过压敏电阻、EMI滤波、桥式整流器，瞬态电压抑制器转变成310V左右的直流电压输入功率因素校正电路。EMI滤波选用了Vicor公司配套的电源滤波器，可以有效降低电网的噪声干扰。

　　功率因素校正电路主要由Vicor公司的谐波衰减模块VI-HAMD、VI-BAMD以及高压滤波电路组成，其中VI-HAMD是谐波衰减 驱动 器，VI-BAMD是谐波衰减倍增器。由于谐波衰减模块内部具有功率因素校正电路，因此可以把功率因数提高到0.99，同时将输入的+310V电压提升到+375V，供给后级DC-DC变换电路和辅助电源。

　　高压滤波电路是由高压电解电容组成，它主要是将直流高压进行平滑滤波为后级变换储能。前级的压敏电阻器同瞬态电压抑制器一起构成了浪涌电压抑制电路，使模块所承受的交流输入浪涌电压不超过410V，确保模块不会被浪涌电压的冲击所损坏。

　　DC-DC变换及输出滤波

　　该部分主要是将+375V的直流高压转变为+48V的直流输出电压。DC-DC变换采用Vicor公司的V375A48C600AL模块两个并联使用来实现。

　　输出滤波是由高频 电感 和电容组成，它可以对直流脉动电压进行滤波，使之变成低杂音、低电磁干扰、高质量的直流输出。

　　辅助电源

　　将+375V电压转变为+5V的直流电压，给保护电路供电。

　　保护电路

　　主要实现输出过流保护、输出过压保护以及电源工作状态的指示。谐波衰减模块和DC-DC转换器自身带有部分保护功能，其中谐波衰减模块内部就具有输入浪涌电流限制、输入瞬变过电压保护、过热保护、输出过压保护、短路保护等功能，还能在工作不正常时控制后级DC-DC转换器的关断；而DC-DC转换器内部也具有输入、输出过压保护，输入、输出欠压保护，输出过流保护，过热保护等功能。这些完备的保护功能尽可能的保证了模块的安全，同时也增强了开关电源的安全性。

　　尽管模块本身的保护功能很全面，但是有些保护的范围 [p] 并不适合系统的技术要求。例如我们选择模块功率时，要考虑到降额使用，因此模块自身设置的过流保护点就会超出技术要求，若使用模块本身的过流保护功能，很可能会发生后级电路已损坏而电源模块过流保护还未启动的现象。因此根据所需要的具体指标，专门设计了过流保护电路、过压保护电路等。同时为了迅速判断电源的工作状态以及故障可能发生的部位，我们设置了过压、欠压、过流、电源正常的指示灯。

　关键技术

　　恒流特性

　　Vicor公司的DC-DC转换器有一个次级控制引脚SC，这个控制端用于调节输出端+Sense和-Sense之间的受调电压，将电流源加到SC引脚，模块的输出电压就可以实现动态调整。

　　图2为本开关电源原理图，图中N1和N3为运算放大器CA3140，N2为电压基准TL431，V13为晶体管BC107，它们共同组成了电流源。CD1和CD2为分流电阻，通过分流电阻对输出电流采样，将电流值转换为电压值，由于该电压值很低，所以须经过差分放大器N3进行放大，将这个放大的电压值送入运放N1的同相端，和由电压基准N2分压得到的基准电压进行比较，通过运放N1的输出来控制晶体管V13的工作状态，从而控制SC引脚。正常工作时，运放N1输出低电平，晶体管V13处于截止状态；当输出电流大于额定值达到恒流点时，运放N1输出高电平，晶体管V13处于饱和状态致使输出电压下降，保护电源，从而达到输出电流恒定。同时运放N1输出的高电平被送至比较器N6的3脚，与基准电压比较后输出高电平，点亮过流指示灯。在这里，N4、N5、N6型号相同，选用的是自带基准电压的比较器LTC1440CN8，电位器RP3用于调节恒流点的值。

　　过压保护

　　如图2所示，输出采样电压经过电阻R25，电位器RP6接入比较器N5的3脚，将基准电压接入比较器N5的4脚。当输出电压高于最大输出电压时，比较器N5的8脚输出高电平，使得光耦N8的4脚和6脚导通，将功率模块的PC端接地，关闭电源输出，同时点亮过压指示灯。二极管V14用于在过压状态时将电源永久关闭，否则，电源会处于“打嗝”状态。

　　图2 开关电源原理图

　　欠压指示

　　输出采样电压经过电阻R24，电位器RP5接入比较器N4的4脚，基准电压接入比较器N4的3脚。当输出电压低于最小输出电压时，比较器N4的8脚输出高电平点亮欠压指示灯。在这里，电源处于欠压状态时仅通过指示灯来指示。

　　电磁兼容

　　电路传输线间的传导干扰、 开关 噪声、辐射噪声、负载的容感性等等问题都会产生电磁干扰。就干扰本身来说，它必备三个条件：干扰源、耦合路径和敏感源。在电磁兼容设计过程中，主要从减小干扰源、阻断干扰路径和加强电源自身抗干扰能力这三个方面着手。

　　在结构方面，我们将电源机箱设计为一个相对密封的屏蔽腔体。腔体底 [p] 部设计为独立风道，风道后部安装轴流风机，风道、轴流风机与屏蔽腔体隔离，这样既增强了散热又加强了开关电源的屏蔽效果。

　　在电路方面采取了如下几项措施：

　　1、为了避免传导干扰，在输入端选用了Vicor公司配套的EMI滤波器，并且使交流输入端和滤波器端子尽可能靠近，连线尽量短，滤波器的外壳和机壳紧密相连，良好接地，这样避免了外部的干扰通过输入线传导至电源内部。

　　2、在PCB布线上：通过大面积铺设地线网，减小地线电感来降低噪声；尽量缩短信号线、电源线和功率线，电流环路也尽可能小，从而减小印制板对干扰信号的耦合；所有芯片的电源管脚都接有滤波电容，并使芯片的供电线路尽可能短；输入电路、高频电路、输出电路分别单独接地，然后再连接到公共地上，也就是“一点接地”原则。

　　3、电源模块本身使用了高频ZCS开关技术，ZCS大大降低了变换过程中开关管的导通和关断时的dv/dt与di/dt，使模块本身的开关噪声和辐射噪声干扰变的很小；同时模块本身的抗干扰能力就比较强，因此在作为干扰源和敏感源方面，电源模块都展现出了较好的电磁屏蔽功能。另外，在模块和机壳之间使用Y电容来减小共模电流，并在输出端采用共模电感，加入LC滤波器。

　　结论

　　本电源完全满足技术要求并且顺利通过了电磁兼容的传导和辐射 测试 。利用Vicor模块设计的 通信 基础开关电源和分立元件的设计相比，电源模块集成度高、体积小、功率密度大，从而可靠性、稳定度相对较高，并且安装方便，故障判断和维修也相对容易。