基于VICOR模块的通信基础电源的设计[图]

基于VICOR模块的通信基础电源的设计[图]
本电源主要采用了Vicor公司的电源模块作为内核集成，并辅以简单的外围电路，整机体积小、重量轻、效率高，确保了长期满负荷运行的稳定性和可靠性。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。

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
，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。