一种带有UPS功能的多路输出电源的设计

0 引言
    某电信设备用电源要求输入为AC 220V，有5V/6A、12V/4A、-12V/0.3A、24V/4A四路DC输出。并且要求具有在线UPS功能，交流停电时要无间隙切换，保证设备继续正常供电，直至营业厅最近一笔业务办弹完毕，系统处理保存完各种数据后允许关机(上位机给电源发出关机信号)方可断电，且要求成本低廉。

1 方案选择
    常用方案为交流输入侧加一个输出AC 220 V的UPS，后面为AC/DC多路输出开关电源。但这种方案线路较复杂，成本较高。考虑到该电源的具体要求，我们确定了以下方案：电源分两级，第一级为AC/DC，将AC 220V变换为DC 24V，一方面为24V负载供电，同时给24V蓄电池充电(因为该电源中蓄电池为备用电源，为浮充使用状态，故充电电压取2.275V/cell，24 V蓄电池的浮充电压即为2 275x12=27.3 V。因而实际输出电压设计为27.3V，以对蓄电池浮充电，24V负载允许±15％电压波动)。第二级为DC/DC，将24 V变换为5 V及±12V多路输出。这样，既满足了使用要求，电路又较简单，成本较低。该电源原理框图如图1所示。

2 工作原理及设计要点
2.1 第一级AC/DC
    考虑到输入为AC 220V，为降低开关器件电压定额，主电路拓扑采取半桥方式，fk50 kHz，PWM控制芯片采用TL494。众所周知，TL494是TI公司生产的使用非常广泛的电压型PWM控制芯片，包含两个误差放大器，一个振荡器，一个死区时间控制比较器(DTC)，一个脉冲调整控制触发器，一个5 V精度5％的基准电源及输出控制电路。该芯片可通过输出控制端(脚13)接地或接基准电压Vref选择输出为单端并联方式或推挽工作方式。在本电源中，TL494 工作于推挽工作方式。一个误差放大器用作输出电压反馈控制，一个误差放大器用来进行一次侧过流保护，DTC用来进行输出电压过压保护，因为在DTC上电压为0～3.3 V时，死区时间占空比在3％～100％间线性变化。TL494对接线路如图2所示。

    为了保证蓄电池不会放亏，延长电池使用寿命，设有欠压保护电路，如图3所示。

    由图3可见，不论何种原因，当电压低于蓄电池终止电压(理论值21 V，实际设计值为2I.5 V)时，继电器触点断开，切除蓄电池负载，并保持该状态至下次交流恢复供电，为防止在动作值临界点附近比较器输出产生振荡，加有正反馈环节，使比较器输入信号产生回差滞环。
2.2 第二级DC/DC
    由于DC/DC部分输出功率不大，约80 W，且为多路输出，故采用单端反激线路是合适的。工作频率fk取100 kHz，PWM控制芯片采用UC3845A，该芯片是一种常用的低成本电流型PWM控制芯片，除包含一个误差放大器、一个内部振荡器、一个5 V基准电源、一个欠压保护比较器及大电流图腾柱输出级外，该芯片还包含一个电流传感比较器，因而具有逐脉限流的特点。利用该特点实现了初级电流逐脉限流保护，并据此设计了简单、实用的输出侧5V、12 V过压保护电路，当出现过压时，对应稳压管击穿，晶闸管引起逐脉限流保护。
    因为DC/DC的5 V、12V输出负载在启动时变化较大，且时序不同，单用5V一路反馈信号，虽可使5 V在启动及正常工作时保持稳定，但12V的电压其稳定性在启动时受5 V负载变化的影啊较大，亦即动态交叉负载调整率较大，不满足设备使用要求。为提高12V的输出电压的稳定性，引入了 12 V输出的反馈信号，如图4所示。

    在12V输出与 UC3845A的脚2反馈端VFB加反馈电阻(实际应用中，为方便满足设计电阻位，设汁为两个串联或并联的电阻)，因原副边共地，故直接分压反馈，不用光耦隔离，简单、准确、响应快，取反馈比例系数K=0.5，因5 V单一反馈时流入VFB脚的反馈电流IFB=(5-2.50)/(5.1xlO3)=490(μA),故12V反馈电流为K4x90=0.5x490=245(μA)，则12V输出与VFB间电阻值为(12-2.50)/245×10-6=38.8Ω,取电阻标称值39kΩ。而5V输出与VFB间的反馈电阻值为(5-2.5)/245x10-6=10.2(kΩ)，取电阻标称值10kΩ。根据实际情况，可调整12V输出的反馈深度，即调整反馈比例系数K，也可引入更多路的反馈信号，各路反馈信号的反馈比例系数可调整，但其总和应为1，此即为所谓多路比例反馈。引入12V反馈信号后，12V稳压精度提高，5V稳压精度略有降低，满足了设备动、静态要求。
    因电源所带负载包括CPU及大规模集成电路，对电压冲击较敏感，故在5V及12V反馈电阻上并联有电容引入微分反馈信号，以抑制开机时各输出电压的上冲幅值。

3 高频变压器设计
    AC/DC高频变压器采用El-40立式磁芯，材质为铁氧体PC40，采用“初包次”的绕法，即靠近磁芯最里层先绕一半匝数初级绕组，再绕次级绕组及辅助电源绕组，末了最外层再绕剩下的一半匝数初级绕组，亦即所谓“三明治”绕法，使初、次(原、副边)级耦合较好，漏感小。
    DC/DC高频变压器采用EER28立式磁芯，材质为铁氧体PC40，气隙取1.06 mm，采用“三明治”绕法，同时因为副边为多路输出，故副边绕组采用堆叠法绕制，以加强耦合，减少漏感，降低成本。对于输出电流较大的绕组，采用多股并绕方式绕制，以减小集肤效应，增强耦合。

4 结语
    该电源实测表明，满载时各输出电压纹波峰峰值Vp-p(频带宽20MHz)如表1所列。

    一级AC/DC效率η=88％，二级DC/DC效率η=75％，各保护环节工作可靠，满足设备启动及正常工作的要求。该电源已批量生产近一年，实际运行可靠稳定，性能良好。