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忱臣柏
5 years ago
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1 多輸出電源電路電源電路製作與分析呂家緯張辰宇廖益興指導老師 : 范淑媛老師二技電二 A 摘要本專題主要係利用返馳式轉換器 Flyb ack Converter) 配合全波整流電路以及由 T NY6 和 TL 構成之驅動回授電路製作一個可提供八組輸出的電源電路所提供的八組電源分別為用於回授控制的 +/ - 電源, 提供馬達驅動電路中 PWM 控制開關所需的四組 0V 電源, 控制 IC 所需的 V 電源, 以及散熱風扇所需的 V 電源關鍵字 (Key Word): 返馳式轉換器 (Flyback Converter) TNY 6 控制晶片 TL 低溫度係數穩壓器一前言隨著高階電腦的快速發展, 電源供應器所需提供的單位體積功率密度的需求越來越高, 並且對高效率的要求也越來越高 ; 為了因應這些需求, 應用在高頻操作下的切換式電源供應器已幾乎完全取代了傳統的線性電源供應器, 然而在電源供應器中的切換元件高速動作下, 輸入電源的弦波訊號經過高頻切換變為脈衝訊號時, 不但產生許多雜訊對控制系統的穩定性造成影響, 更會降低電源供應器的功率因數導致能源的浪費因此提高切換式電源供應器的功率因數是目前世界各國一致的目標, 也是各個電源供應製造商努力的動機因此, 本專題的目的為製作一多輸出電源電路, 其不僅具有較高的體積功率密度, 同時亦能不受高頻切換雜訊的影響為達此目的, 在直流轉換器方面, 我們選用架構最簡單的 Flyback 另一方面, 為降低高頻雜訊干擾, 使用能操作在高頻且兼具完整保護功能的控制 IC TNY6 此電路能穩定地提供八組獨立的輸出至負載二工作原理在此節中, 將先針對所使用的特殊元件 TL TNY6 進行解說, 以助對整體電路的瞭解 < 一 >TL 低溫度係數穩壓器 : TL 為一低溫度係數的穩壓器其電路符號如圖一所示圖一 TL 電路符號如圖二所示, 其內部有一電壓放大器, 用於比較參考端的迴授訊號和.V 的內部參考訊號, 而決定電晶體之導通或截止圖二 TL 等效電路 < 二 >TNY6 控制晶片 : TNY6 主要應用於小功率之電源供應器, 最高可提供 W 的功率輸出, 內部具有功率級場效電晶體及簡易之 PWM 控制器, 所以只需要外加一組變壓器 T 輸出二極體 D 電容器 Co 以及電壓迴授電路, 即可控制系統電源轉換器圖三為 T NY6 電路符號

2 圖三 TNY6 電路符號另外只要適當的增加繞組於同一鐵心上, 可以供給多種需求之輸出電壓將 T NY6 微控開關之重要功能條列如下 : 內建功率級場效電晶體 (MOSFET) 具有簡易脈波寬度調變 (PWM) 控制功能過電流保護功能過電壓與欠電壓保護功能過溫保護功能不需要額外的供應電源自動重新啟動功能除此之外,TNY6 微控開關還具有過溫保護過流保護過壓保護與欠壓保護的功能當 TNY6 微控開關之溫度過高時,TNY6 微控開關將會產生過溫保護, 讓整個 MOSFET 之動作停止, 直到溫度降回安全範圍時, 才會重新啟動另外, 當輸入電壓過高或過低使內部電壓調整器產生超過或低於系統可以正常運作的電壓時,TNY6 微控開關亦會產生保護之動作至於過流保護的部分,TNY6 微控開關利用內建 MOSFET 之導通電壓來偵測過流保護, 當流經 MOSFET 之電流過高時, 將導致 MOSFET 之導通電壓過高, 此時 TNY6 微控開關則會驅動過流保護動作因此使用 TNY6 微控開關來實現的系統輔助電源轉換器, 不但具有使用較少的元件而減少系統價格與體積的優點, 而且還兼具了完整的保護功能 [] < 三 > 直流電源轉換器 : 圖四所示為本專題所使用直流轉換器之基本架構圖當迴授電壓 ( 亦即輸出電路 ) 透過 R 和 R 構成之分壓電路, 在 TL 控制端造成之分壓大於 TL 內部參考電壓 (.V) 時, 會使得 TL 集極和射極導通導致做為隔離驅動用之光耦合器 P C87 動作, 而致能控制 IC TNY6 在此,TNY6 可視為切換開關 MOSFET 當 PC87 動作,TNY6 致能, 此時輸入電壓對變壓器一次側充電, 將能量儲存在其中而當迴授分壓小於 TL 內部參考電壓時,TL 截止,PC87 不動作, TNY6 禁能, 此時儲存於變壓器之能量會經由二極體透過轉移至負載由於 TNY6 微控開關內部具有一電壓調整器, 此電壓調整器與內建 MOSFET 之汲極相連接, 當 MOSFET 截止時, 電壓調整可由汲極擷取能源提供給 TNY6 微控開關並且對電容 C bp 充能當 MOSFET 導通時,TNY6 微控開關所需電源則由電容 C bp 提供, 所以 TNY6 微控開關並不需要額外的供應電源 [] 圖四直流電源轉換器架構圖三電路模擬在進行硬體製作前, 利用 IsPice 電路模擬軟體進行電路的分析與模擬, 藉此可增進電路之動作的瞭解, 有助於硬體之偵錯 () 單相全波二極體橋式整流器 : 市電輸入 0V60HZ 的電源經過橋式

3 整流器 D~D, 濾波電容 C C 而形成直流電源如圖五所示 OSFET IRF0, 額定為 00V/A/0.Ω, 快速二級體 MUR00PT, 額定為 00V/ A L D N0 C 7uF D N0 R 00k Vout C 0.uF Ra K Isec Vin V uh D N0 D N0 6 6 R 00k 圖五單相全波二極體橋式整流器電路如圖六所示, 顯示的模擬結果, 其輸出為 69V 的直流電源 [] 00 vin vout y (pk-pk) = 0 volts y = 69 volts Rb.k 7 7 C n RT 7.k Ipri Vis Rm Vd Vpri R 7k X UC8 COMP REF Rg FDBK VC X IS OUT 9 9 IRF0 Vds RT/CT GND Rsen Vsen k Rs Csen CT Vc 0.6 n.7n 6 Imag 9 Lm 6u LIk u 6 V6 7 7 X XFMR D MUR00PT Vgs Co 00u Rc 0m Vout 7 Vd RL 7 7 Plot vin, vout in volts m 0.0m 0.0m 70.0m 90.0m time in seconds 圖六整流器電壓波形圖 () 閉迴路電流模式的返馳式轉換器 (Flyba ck): 返馳式轉換器 (Flyback Converter) 的電路架構其實就是具有隔離特性的降壓型轉換器 (Buck-Boost Converter) 其磁性元件的功能不是變壓器, 而是利用耦合電感來達到能量轉換的目的, 整個電路的設計重點是儲能與釋放磁能返馳式轉換器 (Fl yback Converter) 具有成本低電路成熟與架構簡單的特點, 並且容易達到多組輸出的目的, 所以常使用在輸出電源電路的設計圖七所示為返馳式轉換器閉迴路的基本電路圖此電路的電氣規格為直流輸入 60V, 輸出為 V/0A 功率元件使用 M 圖七返馳式轉換器閉迴路的模擬電路圖在此模擬電路中, 利用 PWM 控制 IC CU8 和電壓迴授控制功率開關 IRF 0 的導通與截止, 達到所需負載電壓圖八和圖九所示為模擬結果由圖八和圖九可知當 Vgs OFF 時,Vds ON,MOSFET 導通, 此時一次側電流 Ipri 對變壓器充電 Vgs ON 時,Vds ON,MOSFET 截止, 此時二次側電流 Isec 提供電流給負載 [] P lo t vgs in volts vds in volts vgs vd -.k vds v d in v o lts vgs vds vd.7m.7m.76m.78m.8m time in seconds 圖八返馳式轉換器電壓波形圖

imag ipri isec 9.90.90 89.0 ipri.70 -.0 67.0 Plo t imag in amperes imag.0 -.0.0 ipri in amperes isec in amperes -.70-9.70.0 isec -6.90 -.9 0.0m.06m.08m.m.m time in seconds 圖九返馳式轉換器電壓波形圖四

Layout 五電路實測在此節中, 將針對所製作的電源電路進行硬體測試將測試在不同的負載電流下, 此電路所能提供之電壓輸出, 於此測試中, 利用電子負載, 從電路取得各種電流, 分別對各組輸出進行測試, 測試結果係顯示於表一中將其結果以曲線圖顯示於圖十二和圖十三從圖十二的結果可得知, 在負載電流小於 0.

4 imag ipri isec ipri Plo t imag in amperes imag ipri in amperes isec in amperes isec m.06m.08m.m.m time in seconds 圖九返馳式轉換器電壓波形圖四硬體硬體製作在進行硬體製造前, 利用軟體 Protel 進行電路圖之繪製以及電路板線路之佈線圖十所示為本專題的多輸出電源電路圖, 而其電路板佈線圖則顯示於圖十一中如圖十所示, 市電輸入經由全波整流電路成直流電源此直流電源則再由 TL 和 TNY6 組成的迴授電路之控制下透過變壓器提供給負載除了正負 V 的迴授電路之外, 其餘輸出前均利用穩壓 IC 增加輸出電壓的穩定度圖十一 PCB Layout 五電路實測在此節中, 將針對所製作的電源電路進行硬體測試將測試在不同的負載電流下, 此電路所能提供之電壓輸出, 於此測試中, 利用電子負載, 從電路取得各種電流, 分別對各組輸出進行測試, 測試結果係顯示於表一中將其結果以曲線圖顯示於圖十二和圖十三從圖十二的結果可得知, 在負載電流小於 0.A 時, 均可得到穩定的 0V 電壓輸出此結果顯示可從圖十四至圖十七所顯示的示波器量測結果得知此時的輸出功倍率約 6W 對正負,V 和 V 的四組輸出, 從圖十三的曲線圖和圖十八至二十一示波器量測結果均可得知此電路於 0.A 時, 均可得到預期的結果表一各種負載電流下之輸出電壓 Io(A) Vo(V) () () () () 圖十電路圖 () (6)+.9.8 (7) (8) 由上表繪製電壓電流之曲線圖, 如圖十二與圖十三所示之

0. 0 9. 9 輸出 8. 電壓 8 ()0 ()0 ()0 ()0 7. 7 6. 0 0.0 0. 0. 0. 0. 0. 0. 輸入電流 0 0 圖十二組 0V 曲線圖圖十五負載電流 0.0A 第二組 0V 輸出波形圖十六為第三組 0V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為 9.9V, 峰對峰值 60mV 輸出 0 電壓 0 0.0 0. 0. 0. 0. 0. 0. ()- (6)+ (7) (8) - -0 - -0 輸入電流圖十三正負 V V V 電壓電流曲線圖圖十四為第一組 0V 輸出波型, 其輸入電流為 0.

5 輸出 8. 電壓 8 ()0 ()0 ()0 () 輸入電流 0 0 圖十二組 0V 曲線圖圖十五負載電流 0.0A 第二組 0V 輸出波形圖十六為第三組 0V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為 9.9V, 峰對峰值 60mV 輸出 0 電壓 ()- (6)+ (7) (8) 輸入電流圖十三正負 V V V 電壓電流曲線圖圖十四為第一組 0V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為 0.V, 峰對峰值 760mV 圖十六負載電流 0.0A 第三組 0V 輸出波形圖十七為第四組 0V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為 9.9V, 峰對峰值 60mV 圖十四負載電流 0.0A 之第一組 0V 輸出波形圖十五為第二組 0V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為 0V, 峰對峰值 680mV 圖十七負載電流 0.0A 第四組 0V 輸出波形圖十八為第五組 -V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為.V, 峰對

6 峰值 0mV 輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為.8V, 峰對峰值 760mV 圖十八負載電流 0.0A 第五組 -V 輸出波形圖十九為第六組 +V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為 V, 峰對峰值 600mV 圖十九負載電流 0.0A 第六組 +V 輸出波形圖二十為第七組 V 輸出波型, 其輸入電流為 0.0A, 輸出電壓為.0V, 峰對峰值 0mV 圖二十一負載電流 0.0A 第八組 V 輸出波形六結論本專題的主要目的為利用最少的零件, 最低的成本製作具有穩定輸出的多輸出電源電路測試結果顯示, 此電路可提供穩定的八組獨立的直流電源輸出, 其分別為用於迴授控制的 +/- 電源, 提供馬達驅動電路中 PWM 控制開關所需的四組 0V 電源, 控制 IC 所需的 V 電源, 以及散熱風扇所需的 V 電源另一方面, 將此八組電源提供給感應馬達驅動電路, 可穩定提供所需電源參考文獻. 鄭仲聖, 太陽能與風能複合輸入之市電倂聯轉換器系統 (Grid-Connected Power Converter System for PV/Wind Energy Source), 國立中正大學電機研究所碩士論文,P.9-,00. 胡仁傑, 以數位信號處理器為基礎之在線性不斷電系統電源裝置 (ON-Line DSP-based Uninterruptible Power Supply), 國立中山大學電機工程學系碩士論文,P.-,00. 鄭培璿, 電力電子分析與模擬, 全華科技圖書股份有限公司,00. 關朝俊鐘曜聰林兼毅, 直流轉換器製作與分析, 吳鳳技術學院專題報告圖二十負載電流 0.0A 第七組 V 輸出波形圖二十一為第八組 V 輸出波型, 其

本章綱要 -1 節點電壓法 -2 迴路電流法 -3 重疊定理 - 戴維寧定理 -5 諾頓定理 -6 戴維寧與諾頓等效電路之轉換 -7 最大功率轉移定理 Chapter 直流網路分析 0626-0.indd 125 2009/11/10 下午 0:58:09

本章綱要 -1 節點電壓法 -2 迴路電流法 -3 重疊定理 - 戴維寧定理 -5 諾頓定理 -6 戴維寧與諾頓等效電路之轉換 -7 最大功率轉移定理 Chapter 直流網路分析 0626-0.indd 125 2009/11/10 下午 0:58:09 ELECTRICITY ELECTRICITY BASIC BASIC 本章學習目標 1. 利用節點電壓法分析各支路的電流 2. 利用迴路電流法分析各迴路的電流 3. 瞭解重疊定理在多電源電路的應用. 利用戴維寧與諾頓定理化簡電路 5. 瞭解戴維寧與諾頓等效電路的轉換 6. 學習負載如何在電路中獲得最大的功率轉移 0626-0.indd 12 2009/11/10 下午 0:58:02 本章綱要 -1