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1 第 9 卷第 4 期 015 年 7 月湖南工业大学学报 Journal of Hunan University of Technology Vol.9 No.4 July 015 doi: /j.issn 基于 HV910 的恒压源设计刘冠廷, 谭兮 ( 湖南工业大学电气与信息工程学院, 湖南株洲 41007) 摘要 : 通过分析典型恒压源的电路结构和工作原理, 研究了影响恒压源精度的一些关键因素, 研制了一款基于 HV910 输出电压为 1 V 的恒压源样机并测试了样机输入电压在 165~65 V 范围内变化时, 其输出电压的变化情况实测结果表明, 输出电压基本保持稳定, 满足稳压的设计要求关键词 : 恒压源 ;HV910; 稳压中图分类号 :TN86 文献标志码 :A 文章编号 : (015) Design of Constant Voltage Source Based on HV910 Liu Guanting,Tan Xi (School of Electrical and Information Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou Hunan 41007,China) Abstract :Through the analysis of the circuit structure and working principle of typical constant voltage source, some key factors affecting the accuracy of constant voltage source are studied and a constant voltage source prototype based on HV910 with the output voltage 1 V is developed. The output voltage change is tested when the prototype input voltage changes within 165~65 V. The test results indicate that the output voltage remains stable and meets the stable voltage design requirement Keywords :constant voltage source;hv910;regulator 0 引言直流稳压源是仪器仪表等各种电子设备的重要组成部分, 也是核心部分电源系统质量的优劣对整个电子设备的质量起决定性作用随着电力电子技术的飞速发展, 对直流稳压源的抗干扰性与精度的要求也越来越高因此, 研制精度和抗干扰性高的直流稳压源具有重要的实际意义 [1] 对于精密仪器, 由于电源电压的变化可能引起测量和计算上的误差, 从而导致自动控制系统工作的稳定性不好, 甚至不能正常工作研制一种精度高稳定性好的直流稳压电源, 可以达到事半功倍的效果, 因此, 电源的设计工作必须做到精益求精 [] 本文详细分析了恒压源的工作原理及其应用特点, 提出了基于 HV910 恒压源的设计方案, 并给出了具体的电路原理图, 最后研制出了实验样机并给出了相关的实验波形以及实测数据 1 开关式稳压电源的基本结构输入的交流电压经过整流电路及滤波电路整流滤波后, 形成一种含有一些脉冲波动较大的直流电压 ; 接着该电压信号进入高频变换器, 转变成所需电压值的方波 ; 最终将所得方波电压通过整流滤波后, 变为所需要的直流电压通常的控制电路部分是脉冲宽度调制器, 它主要由取样电路比较器振荡器脉宽调制电路以及基准电压 5 个部分构成目前这部分电路已成为收稿日期 : 作者简介 : 刘冠廷 (1989-), 男, 湖南攸县人, 湖南工业大学硕士生, 主要研究方向为开关电源,DC/DC 以及 PWM 控制, @qq.com

2 68 湖南工业大学学报 015 年各种开关电源所用的集成电路控制电路可以对高频开关元件的占空比进行调节, 从而达到稳定输出电压的目的 [3-4] 图 1 为开关式稳压电源的基本电路框图图 1 开关式稳压电源基本结构框图 Fig. 1 Basic structure diagram of switching mode power supply 主电路工作原理本设计的主电路是由 Buck 电路构成的降压型变换器, 如图所示其电感工作在 CCM 模式下, 该模式下开关门极驱动信号和电流信号如图 3 所示, 临界电感值由式 (1) 决定, (1) 式中 :V o 为输出电压 ; V d 为输出二极管的压降 ; T 为主电路的工作周期 ; I o 为输出电流 ; D w 为死区时间占空比, 由于本设计是采用单端输入的反激式变换器, 所以 D w 为 0; D max 为 PWM 信号的最大占空比, 并且由式 () 给出,, () 其中为转换效率,V i 为输入电压输出电压由下式给出 : V o = V i D max (3) 由式 (3) 可知, 输出电压的大小受 PWM 信号的最大占空比 D max 的影响因为 D max 永小于 1, 所以输出电压要低于输入电压图 Buck 主电路结构 Fig. Buck main circuit structure 主电路的工作过程中,CCM 模式下电感电流 I pk 波形如图 3 所示 Fig. 3 通过对图 3 的分析可知,Buck 电路的工作过程为 : t 0 时刻之前假设电感 L 已经完全放电, 二极管 D 处于截止状态, 开关管 Q 处于关断状态 t 0 ~ t 1 时段 t 0 时刻开关管 Q 导通, 电源通过开关管 Q 和电感 L 给负载供电, 电感中的电流线性上升 ; 在 t 1 时刻, 电感中的电流达到最大值, 此时二极管 D 处于截止状态 t 1 ~ t 时段 t 1 时刻末, 开关管 Q 关断, 此时段由于电感中的电流不能突变, 则电感 L 两端可以感应出左负右正的感应电动势, 致使二极管 D 导通电感通过二极管 D 给负载续流, 此时电感 L 中的磁能转变为电能, 电感中的电流线性下降, 直到最小值 t ~ t 3 时段 t 时刻末, 开关管 Q 再次导通, 此时段电源通过开关管 Q 和电感为负载供电, 同时给电感充磁, 直到电感中的电流达到最大值 [5-8] 3 驱动电路 3.1 控制芯片 HV910 简介超科公司开发的 HV910 芯片相当于是开关电源控制器的子系统, 可以启动和运行几乎所有的直接直流输入除了开关磁组输出整流和滤波器, HV910 芯片还包含了构造单管开关转换器所需的基本元件 HV910 芯片主要用于控制具有任何拓扑结构和型号的单管开关转换器, 这类转换器一般都是低功耗 HV910 的内部框图如图 4 所示, 图中引脚功能如下 : 引脚 1 是输入高端引脚, 直接接 0 V 交流整流后的直流电压输出端 ; 引脚和 3 是空引脚 ; 引脚 4 为采样端, 从电路中通过电阻采样一个小于 1. V 的电压作为比较信号 ; 引脚 5 是 PWM 输出端, 接隔离变压器驱动 MOSFET ; 图 3 CCM 模式下电感电流 I pk 波形 Waveform of inductor current I pk in CCM mode

3 第 4 期刘冠廷, 等基于 HV910 的恒压源设计 69 引脚 6 是输出低端引脚, 这里直接接地 ; 引脚 7 是 VDD, 即器件内部工作电压, 本电路中没有用到 VDD 的外接电路, 直接采用电阻接地, 使电路更加稳定 ; 引脚 8, 9 是时钟控制引脚, 通过接入电阻值的大小来调节开关频率, 接入了 3 个电阻, 便于频率的在线调整 ; 引脚 10 空脚接地 ; 引脚 11 为 4 V 基准电压引脚, 一般接 0.01~0.10 F 电容 ; 引脚 1 和 13 分别是停止和复位引脚, 电路中没有用到此功能, 所以也直接接地 ; 引脚 14, 15 为运放和反馈引脚,15 接入输出的反馈电压值, 通过两脚之间的运放电路进行动态调整 ; 引脚 16 通过不同电阻值的调节控制 VDD 的大小该电路中 R 5- 是栅源电阻, 主要用于保护 MOS 管在高频时候不损坏,D 4 为高速二极管 IN4148, 用于提高开关速度,T 1 的原边绕组和副边绕组比为 1:1, 主要是隔离开关芯片输出的 PWM 信号由于该电路的开关频率设置为 50 khz, 所以能很好地隔离高频 PWM 信号该电路采用双闭环控制, 由电流内环控制电压外环, 电压外环主要由 R 8 系列电阻和 R 9 系列电阻组成的分压网络采样输出电压, 其采样电压为, (4) 式中 : R 8, R 9 分别是 R 8 和 R 9 系列电阻之和, 各个电阻具体参数见附图 1;V o 为输出电压 1 V 由于本设计采用的是 Buck 电路, 电流环部分采用的是电流互感器采样时主电路的电流, 然后经过 R 6 系列的电阻和 C 3, R 4 组成的 RC 滤波电路后, 送入到 IC 的电流采样端 [10], 其采样电路如图 6 所示 Fig. 6 图 6 电流互感器采样电路 The current transformer sampling circuit 图 4 HV910 结构原理图 Fig. 4 The structure diagram of HV 驱动电路工作原理驱动电路由 HV910 和外围电路构成, 如图 5 所示主电路由开关管 Q 1, 隔离变压器 T 1 组成的 Buck 电路构成 Buck 电路的输入电压 V i 与输出电压 V o 之间的关系由式 (3) 给出, 其中 D max 值为开关管导通时间与开关频率的乘积由式 (3) 可知, 通过控制开关管的占空比就能控制输出电压 [9] 驱动电路采用 IRF840 开关管,MOS 管采用隔离式驱动, 如图 5 所示 3.3 芯片供电电路在传统的隔离式开关电源中, 最常用的是采用如图 7 所示的电路, 辅助绕组 T 产生感应电压经过二极管 D 1 整流后给电容 C 充电, 电容 C 储存的能量给 IC 供电图 7 辅助绕组供电电路 Fig. 7 The auxiliary winding power supply circuit 本设计中, 由于采用的是非隔离式电路, 开关芯片的供电部分由整流后的电压经电阻分压后直接提供, 其具体电路如图 8 所示图 8 中,R 1, R 5, R 6 构成分压网络, 电流经过 D 3 后图 5 MOS 管隔离驱动电路 Fig. 5 MOS tube isolation drive circuit 给个极性电容 C 4 和 C 10 充电, 且 C 4 的容量要大于 C 10 的容量

4 70 湖南工业大学学报 015 年 Fig. 8 图 8 芯片的供电电路 The chip power supply circuit 4 实验结果与分析根据上述反激式开关电源的工作原理和参数设计值设计了实际电路, 并进行实验分析, 结果如图 9~11 所示整个恒压源电路的原理图如附图 1 所示图 9 是变压器副边电压波形和 PWM 波形图, 由于原边有平波电容的存在, 本实验中不测量原边电压波形图 9 中 CH 是 HV910 的 PWM 信号,CH1 是副边未经过肖特基整流的波形由图可知, 在开关管开通的时间副边出现大约 60 V 的反压, 此期间变压器处于储能状态在开关管关断的时间, 副边出现大约 0 V 的正向电压, 即原边和副边波形的相位相反, 这也就是反激式变压器的特点图 9 变压器副边波形和 PWM 波形 Fig. 9 The transformer side waveform and PWM waveform 图 10 是输入电压为 0 V, 也就是在市电条件下的 PWM 波形图由图可知, 此时 PWM 的占空比大约只有 /3, 说明此时 MOS 管的开通时间很短, 损耗也比较小图 11 是用示波器最小电压档位观测输入电压为 0 V, 输出电压为 1 V, 输出电流为 A 时的输出电压波形图中 CH1 指的是输出电压信号由图可知, 输出电压纹波大约只有 10 mv, 基本满足设计要求图 10 输入电压为 0 V 的 PWM 波形 Fig. 10 PWM waveform of the input voltage of 0 V 图 11 输出电流为 A 时的输出电压波形 Fig. 11 Output voltage waveform of output current A 表 1 是输出固定的 A 负载电流时, 改变输入电压所得到的占空比和效率变化情况由表可知, 当输入电压由低到高变化时, 占空比越来越小, 效率越来越低这是因为占空比越小, 开关管导通时间越短 ; 反之, 占空比越大, 开关管导通时间越长, 效率越高 Table 1 输入电压 /V 本文首先分析了开关式直流稳压电源的工作原理, 然后研制出了基于 HV910 的恒压源样机, 最后通过实验结果分析可知, 这种恒压源电路的稳压性能良好参考文献 : 表 1 不同输入电压时候的占空比和效率 The duty ratio and efficiency of different input voltages 输出电压 / V 输出电流 /A [1] 陈坚. 电力电子学 : 电力电子变换和控制技术 [M]. 版. 占空比 /% 效率 /% 86 北京 : 高等教育出版社,004: Chen Jian. Power Electronics: Power Electronic Transformation and Control Technology[M]. nd ed. Beijing: Higher Education Press,004:

5 第 4 期刘冠廷, 等基于 HV910 的恒压源设计 71 [] 田智文. 一种带有保护电路的直流稳压电源的设计 [D]. 西安 : 西安电子科技大学,011. Tian Zhiwen. A Design of DC Stabilized Voltage Supply with Protection Circuit[D]. Xi'an:Xi'an Electronic and Science University,011. [3] 孟祥印, 肖世德. 基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计 [J]. 微计算机信息,005,1(1): , 180. Meng Xiangyin,Xiao Shide. The Design of Multiple Output Linear DC Stabilized Voltage Supply Based on Advanced Integrated Circuits[J]. Control & Automation,005,1 (1) : ,180. [4] 殷红彩, 葛立峰. 一种多输出直流稳压电源的设计 [J]. 传感器世界,006(9) : -5. Yin Hongcai,Ge Lifeng. A Design of Multi-Output Direct Current Stabilized Voltage Power Supply[J]. Sensor World, 006 (9) :-5. [5] 何希才, 张明莉. 新型电源及应用实例 [M]. 北京 : 电子工业出版社,004: He Xicai,Zhang Mingli. New Power Supply and Application Examples[M]. Beijing:Electronics Industry Press,004: [6] 姚志树. 高功率因数多重控制程控电源的研究 [D]. 南京 : 南京理工大学,010. Yao Zhishu. Research on High Power Factor and Multiple Control Power Supply[D]. Nanjing :Nanjing University of Science and Technology,010. [7] 景希. 基于单片机的 100 kv 高压直流电源的研制 [D]. 南京 : 南京信息工程大学,01. Jing Xi. Development of 100 kv High Voltage DC Power Supply Based on the Microcontroller[D]. Nanjing:Nanjing University of Information Science and Technology,01. [8] 金钊. 直流稳压电源的性能测试与优化 [D]. 济南 : 山东大学,01. Jin Zhao. Performance Testing and Optimization of the DC Power Supply[D]. Jinan:Shandong University,01. [9] 周志敏, 周纪海. 开关电源实用技术 : 设计与应用 [M]. 北京 : 人民邮电出版社,003: Zhou Zhimin,Zhou Jihai. Switching Power Supply Practical Technology: Design and Application[M]. Beijing :People s Posts and Telecommunications Press, 003: [10] 肖强晖. 现代电力电子技术 [M]. 北京 : 光明日报出版社, 00: Xiao Qianghui. Modern Power Electronic Technology[M]. Beijing:Guangming Daily Press,00: ( 责任编辑 : 邓光辉 ) Fig.1 附图 1 电路原理图 Schematic diagram of the circuit

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路