開關(guān)電源的可靠性直接影響到電子產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性。文中從相關(guān)數(shù)控系統(tǒng)開關(guān)電源的各種保護(hù)電路著手，分析設(shè)計(jì)了數(shù)控開關(guān)電源的軟啟動(dòng)電路， 過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)等電路的工作原理和具體設(shè)計(jì)方法， 解決了數(shù)控開關(guān)電源的工作可靠性問(wèn)題， 為數(shù)控系統(tǒng)的批量生產(chǎn)提供了保障。精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)使得加工零件的精度有了穩(wěn)定的保證， 在目前機(jī)械加工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
引言
開關(guān)電源電路負(fù)責(zé)為整個(gè)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)各部分設(shè)備提供電源。本文主要介紹了一種機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)用開關(guān)電源各種保護(hù)電路的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法， 通過(guò)實(shí)際研制， 使得該系統(tǒng)開關(guān)電源穩(wěn)定性大大提高， 保護(hù)功能穩(wěn)定可靠， 滿足了批量生產(chǎn)要求。
1 保護(hù)電路工作原理分析
機(jī)床數(shù)控用開關(guān)電源包含有軟啟動(dòng)保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓掉電保護(hù)等電路。
( 1) 軟啟動(dòng)電路
由于開關(guān)電源輸入整流電路后級(jí)大多采用電容性濾波電路濾波， 在電源合閘瞬間， 往往會(huì)產(chǎn)生電流幅值高達(dá)幾十甚至幾百安培的浪涌電流， 此種浪涌電流十分有害， 會(huì)造成開關(guān)電源啟動(dòng)故障甚至損壞。常用的軟啟動(dòng)電路有可控硅和限流電阻組成的防浪涌軟啟動(dòng)保護(hù)、繼電器觸點(diǎn)組成的軟啟動(dòng)保護(hù)、負(fù)溫度系數(shù)電阻組成的軟啟動(dòng)保護(hù)電路等。
本系統(tǒng)開關(guān)電源采用負(fù)溫度系數(shù)電阻組成的軟啟動(dòng)保護(hù)電路， 簡(jiǎn)單實(shí)用， 工作可靠。如圖1, 220 V 交流電經(jīng)線圈L1濾波共模干擾后， 整流產(chǎn)生約三百伏左右直流電壓， RT 電阻為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻， 型號(hào)為M02-7Ω。當(dāng)電源合閘瞬間， 浪涌電流使得熱敏電阻發(fā)熱， 阻值迅速減小， 輸出直流電壓逐漸建立， 可有效防止浪涌電流對(duì)電源電路的沖擊， 使得整個(gè)電源半橋變換電路穩(wěn)定可靠。
圖1 負(fù)溫度系數(shù)電阻組成的輸入軟啟動(dòng)電路
在開關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)， 由于脈寬調(diào)制器尚未建立穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)脈沖， 需采取措施使得驅(qū)動(dòng)脈沖逐漸建立起來(lái)， 該開關(guān)電源脈寬調(diào)制器采用性價(jià)比較高的脈寬調(diào)制器T L494。如圖2, TL494 的第四腳為死區(qū)控制， 它既可以為變換功率管提供安全的死區(qū)時(shí)間控制， 也可以作為驅(qū)動(dòng)芯片的軟啟動(dòng)控制。開機(jī)瞬間， 電容器C1上未建立電壓， + 5 V 通過(guò)電容C1 送TL494: 4 腳， 封鎖脈寬調(diào)制器的輸出脈沖。隨著電容C1 兩端電壓逐漸升高， T L494: 4 腳電壓逐漸下降， 驅(qū)動(dòng)脈沖寬度逐漸展寬。當(dāng)輔助電源+ 15 V 出現(xiàn)故障時(shí)， 三級(jí)管V1迅速導(dǎo)通， + 5 V 電壓經(jīng)三極管V1 送T L494: 4 腳， 切斷驅(qū)動(dòng)脈沖， 使開關(guān)電源停止工作而不致?lián)p壞。
圖2 利用TL494:4 腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)軟啟動(dòng)及電源保護(hù)( 2) 過(guò)壓保護(hù)電路
通常的數(shù)字信號(hào)處理電路大多采用TT L 或CMOS 系列的集成門電路。對(duì)于T TL 集成門電路，往往工作電壓不能大于5. 5 V。該數(shù)控系統(tǒng)開關(guān)電源輸出有多路， 有+ 5 V, + 15 V, - 15 V, + 24 V 等多路輸出， 在開關(guān)電源系統(tǒng)中， 對(duì)主變換電壓+ 5 V 進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)， 具體電路見圖3。
圖3 數(shù)控開關(guān)電源過(guò)壓保護(hù)電路
工作原理： 數(shù)控開關(guān)電源由輔助電源+ 15 V 提供給可控硅V4管陽(yáng)極工作電壓， 實(shí)際輸出取樣電壓送至穩(wěn)壓管V5 , 當(dāng)超出保護(hù)電壓閾值+ 5. 5 V 時(shí)， 輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓管、電阻R3 、R4 分壓觸發(fā)可控硅V4 導(dǎo)通， 將輔助電源+ 15 V 通過(guò)電阻R1接地， 同時(shí)通過(guò)二極管V2切斷8 腳電源。調(diào)節(jié)RP 電位器， 可以對(duì)輸出電壓保護(hù)閾值點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。
( 3) 過(guò)流保護(hù)電路
本開關(guān)電源過(guò)流保護(hù)電路的工作原理見圖4。變壓器T 1原邊串接在開關(guān)電源主變壓器原邊回路中， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇合理的變壓器原副邊匝數(shù)比， 感應(yīng)開關(guān)電源變換時(shí)的原邊電流值， 經(jīng)二極管V1 ~ V4 整流， R1、C1 濾波后送電位器RP。原邊電流越大， 電流取樣變壓器整流出的電壓越大， 電位器RP 中心點(diǎn)電壓越低，TL494: 2 腳電壓隨之下降， 使得TL494: 3 腳電壓升高， 送入脈寬調(diào)制器， 將T L494 驅(qū)動(dòng)脈沖寬度逐漸減少， 從而得到過(guò)流保護(hù)的目的。圖中電容C4、C5、R10為TL494 誤差放大器的反饋元件， 使得放大電路穩(wěn)定可靠。
圖4 數(shù)控開關(guān)電源過(guò)流保護(hù)電路電路圖
( 4) 欠壓保護(hù)電路
利用+ 5 V 及PF ( POWER FAIL) 信號(hào)進(jìn)行比較， 在+ 5 V 掉電時(shí)， PF 信號(hào)至少需維持10 ms 時(shí)間，以便存儲(chǔ)相關(guān)信息。欠壓保護(hù)電路如圖5 所示。
(a) 利用LM339 電壓比較器實(shí)現(xiàn)的掉電保護(hù)
(b) 上電時(shí)序及掉電保護(hù)時(shí)序圖
圖5 數(shù)控開關(guān)電源的欠壓保護(hù)電路2 保護(hù)電路調(diào)試與實(shí)現(xiàn)
( 1) 軟啟動(dòng)電路調(diào)試
熱敏電阻軟啟動(dòng)電路， 可用電烙鐵對(duì)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻貼近進(jìn)行烘烤， 用萬(wàn)用表測(cè)量其電阻值變化，同時(shí)計(jì)時(shí)并估算其電阻變化率， 進(jìn)行初步檢驗(yàn)。將不同阻值的熱敏電阻分別裝入電路， 用示波器高壓探頭測(cè)試開機(jī)時(shí)整流電路輸出的高壓波形， 比較其電壓建立時(shí)間， 從而選擇合適的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。
( 2) 過(guò)壓保護(hù)電路調(diào)試
過(guò)壓保護(hù)電路中的可控硅觸發(fā)電路要求： 1) 觸發(fā)時(shí)要求能供出足夠的觸發(fā)電壓和電流。2) 不觸發(fā)時(shí)， 觸發(fā)端電壓應(yīng)小于0. 15 V ~ 0. 2 V, 為防止誤觸發(fā)， 一般宜加1~ 2 V 的負(fù)偏壓。3) 觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡， 最好在10us 以下， 使觸發(fā)電壓準(zhǔn)確。4) 觸發(fā)脈沖必須有足夠的寬度， 因可控硅的開通時(shí)間一般在6us 以下， 故脈沖寬度應(yīng)大于6us, 最好有20us~ 50us。
過(guò)壓保護(hù)電路調(diào)試： 將輸出電壓逐漸調(diào)至5. 5 V,用萬(wàn)用表測(cè)試可控硅的觸發(fā)極電壓， 同時(shí)用示波器觀察驅(qū)動(dòng)芯片TL494: 8 腳、11 腳波形， 調(diào)節(jié)過(guò)壓保護(hù)多圈電位器RP, 直到保護(hù)電路動(dòng)作， 驅(qū)動(dòng)波形消失為止， 此時(shí)保持多圈電位器RP 旋鈕位置不變。逐漸調(diào)低輸出電壓， 保護(hù)電路因可控硅不觸發(fā)而不動(dòng)作。如再調(diào)高輸出電壓至5. 5 V, 保護(hù)電路將動(dòng)作， 反復(fù)試驗(yàn)， 直至保護(hù)電路工作穩(wěn)定可靠。
( 3) 過(guò)流保護(hù)電路調(diào)試
過(guò)流保護(hù)電路選擇高頻鐵氧體磁芯EE12, 原邊電感量為0. 013 mH, 副邊電感量為0. 74 mH 。該開關(guān)電源+ 5 V 最大輸出電流為25 A, 截取直徑為 1. 2mm 的漆包線一段， 量取其電阻值為0. 2Ω , 將此模擬負(fù)載接在電路中， 測(cè)量過(guò)流整流輸出電壓Ui, 調(diào)整過(guò)流保護(hù)多圈電位器， 電路在Ui= - 0. 57 V 時(shí)開始保護(hù)。改變輸出模擬負(fù)載， 反復(fù)調(diào)試過(guò)流保護(hù)電路參數(shù)，直到過(guò)流保護(hù)電路穩(wěn)定可靠。
3 結(jié)論
本文提出了一種軟啟動(dòng)保護(hù)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)的具體實(shí)用電路， 最終合理設(shè)定了各保護(hù)電路的工作參數(shù)，使得數(shù)控系統(tǒng)開關(guān)電源的保護(hù)功能穩(wěn)定可靠， 整機(jī)性能得到了提升， 為數(shù)控系統(tǒng)的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。