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1 引言

用于定量包裝生產(chǎn)的工業(yè)稱重儀表常采用 LED 顯示，使得儀表的功能受限，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)上的要求，而采用顯示內(nèi)容豐富真空熒光顯示屏 (VFD) ，使儀表的市場前景非常廣闊。 傳統(tǒng)的對 VFD 供電方法采用交流供電，需要變壓器，這加大了電源板的體積；本設(shè)計采用直流供電，燈絲兩端用壓差為 3.3V 直流驅(qū)動，而它們由開關(guān)電源的基本輸出轉(zhuǎn)換而成，開關(guān)電源經(jīng)過幾十年的發(fā)展，朝著體積小，效率高的方向發(fā)展；本文設(shè)計避免了采用笨重的工頻變壓器，并利用 PI 公司新推出的第四代 TOPSwitch 系列芯片和較小的濾波元器件，使開關(guān)電源體積很大程度減小。

同時考慮主控板電壓需求后，為保證控制板和顯示板的都穩(wěn)定的工作，對稱重儀表的電源板作出合理的分析和設(shè)計，單片開關(guān)電源效率高、外圍電路簡單并且實現(xiàn) 5 路輸出，本文利用 PI EXPERT6.5 軟件輔助設(shè)計，生成關(guān)鍵參數(shù)作為參考，設(shè)計出滿足稱重儀表的多路穩(wěn)定的電壓要求的電路。

2 開關(guān)電源設(shè)計基本結(jié)構(gòu)

本文開關(guān)電源用的是 PWM 方式，即在頻率一定的情況下通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比 [1] 。 開關(guān)電源利用體積很小的高頻變壓器來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換及電網(wǎng)隔離的，而且外圍電路簡單、效率高、穩(wěn)定可靠。 開關(guān)電源的功率調(diào)整器件處于開關(guān)工作狀態(tài)，效率比線性電源高 [2] 。

選用 TOPSwitch-GX 系列產(chǎn)品的 TOP245Y 設(shè)計的單片開關(guān)電源輸入交流 85V～265V ，經(jīng)過電網(wǎng)濾波、整流濾波，鉗位保護、高頻變壓器，再經(jīng)過二次側(cè)整流濾波電路得到初始基本輸出為 9V/0.4A 、 9V/0.3A 、 －36V/0.3A 、 24V/0.3A 、 12V/0.5A; 再經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為所需電壓，其中，選擇 9V/0.4A 作為取樣反饋，經(jīng)過光耦和 TOP245Y 為主的元器件到鉗位保護電路，從而保證了輸出的穩(wěn)定性。

電網(wǎng)濾波用來抑制接入電網(wǎng)與開關(guān)電源的相互干擾 ; 整流濾波是通過整流橋?qū)碜噪娋W(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；鉗位保護電路主要是通過 P6KE200A 和UF4007 反向串聯(lián)來防止變壓器的感應(yīng)電壓過高；變壓器是整個開關(guān)電源最為關(guān)鍵的部分，它同時實現(xiàn)了電網(wǎng)隔離、能量存儲和電壓轉(zhuǎn)換的功能 ^[3] 。 二次側(cè)整流濾波將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并電壓中的紋波成分盡可能除掉 ^[4] 。

2.1 多路輸出式高頻變壓器的設(shè)計

變壓器選用 EEL22 類型的磁芯，通過計算（具體計算方法可參考參考文獻 [3] ，也可結(jié)合計算機輔助軟件 PI EXPERT6.5 得到可供參考的參數(shù)），初級電感量為 390μH ，一級繞組為50 匝 ， 偏 置 繞 組 為 6 匝 ， 9V/0.4A 、 9V/0.3A 、 -36V/0.3A 、 24V/0.3A 、 12V/0.5A 這幾路輸出分別對應(yīng)的線圈匝數(shù)為 3 匝、 3 匝、 12 匝、 8 匝、 4 匝 ( 變壓器繞制方法參考參考文獻 ^[5]) 。

2.2 TOPSwitch－GX 芯片的選擇

TOPSwitch－GX 芯片是 TOP 開關(guān)穩(wěn)壓器第四代產(chǎn)品， 當(dāng)開關(guān)電源負(fù)載 很輕時， 能將開關(guān)頻率從132kHz 降低到 30kHz, 可降低開減損耗 ^[6] 。本設(shè)計理論上 可 采 用 TOP244Y 、 TOP245Y 、 TOP246Y 這 三 種 芯片，通過大量的實驗分析，如選用 TOP244Y ，散熱會嚴(yán)重影響開關(guān)電源的壽命，若選用 TOP245Y 、TOP246Y 可以很好的解決這個問題，但 TOP246Y 的裕量過大，本設(shè)計選用了 TOP245Y ，既留有一定裕量 , 又滿足了設(shè)計要求，易于安裝和散熱。 TOPSwitch－GX 芯片在實際工作過程中需要使用散熱器，散熱面積要足夠大 ^[7] 。

2.3 反饋電路的設(shè)計

所采用的主要元件是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管TL431 和光耦 PC817 ， 反饋電路的工作原理是當(dāng)被選定當(dāng)作反饋的一個輸出電壓9V/0.3A 發(fā)生改變時， 經(jīng)過阻值為 10K 和 26.1K 的電阻分壓后得到的取樣電壓就與 2.5V 基準(zhǔn)電壓進行比較，從而導(dǎo)致發(fā)光二極管的工作電流也發(fā)生變化，光耦引起 TOP245Y 的控制端電流的大小變化，調(diào)節(jié)的輸出占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定 ^[8] 。

2.4 生成主控板和設(shè)定顯示板所需電壓 ＋5V 電壓

主控板上是實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，需要精準(zhǔn)的 +5V 作為電壓，而為了保證主控板的 A/D 轉(zhuǎn)化不受設(shè)定顯示板負(fù)載變化的影響，所以先由開關(guān)電源電路產(chǎn)生 9V 左右穩(wěn)定電壓（若不是主反饋電壓，電壓會隨著負(fù)載大小有很小的變化），然后均由穩(wěn)壓芯片 LM7805 來穩(wěn)壓，得到主控板需求的 +5V 電壓；光耦輸出需要的的 +24V 電壓直接由二次側(cè)整流濾波得到。設(shè)定顯示板所需的 ＋5V 電壓和主控板所需 ＋5V 電壓的得到的方式是相同的。

2.5 開關(guān)電源抗干擾設(shè)計

在交流電源的進線端接一 104 電容，既可抑制來自電網(wǎng)的干擾，也可抑制開關(guān)電源對電網(wǎng)的干擾。 在 P6KE200A 正極與開關(guān)電源主輸出的地之間接電容，濾除變壓器一次、二次繞組耦合電容產(chǎn)生的共模干擾 ^[8-9] 。 在開關(guān)電源輸出端會出現(xiàn)頻率很高的尖峰干擾，為克服輸出電壓中的尖峰，要在輸出端加一電感值很小的電感 ^[10] 。

3 VFD 顯示供電設(shè)計

3.1 VFD 顯示供電需求分析

VFD 顯示屏由柵極、陽極電壓和燈絲（陰極）構(gòu)成，對燈絲電壓驅(qū)動可分為交流驅(qū)動和直流驅(qū)動。 交流驅(qū)動需要笨重的變壓器，且容易受到電網(wǎng)的影響，本文采用直流驅(qū)動方式對 VFD 供電，燈絲之間要加入壓差為 3.3V 的電壓，但 VFD 的驅(qū)動單靠單片機很難滿足其要求， 本文采用專用的驅(qū)動芯片 STF16360EN 解決了這個問題，直接靜態(tài)驅(qū)動 VFD 。 VFD 、 STF16360EN 和單片機的應(yīng)用線路圖，同時還需要對 STF16360EN 提供 +5V 、 0V 和 -30V 電壓。

3.2 VFD 顯示供電實現(xiàn)

前面得到開電源基本電壓輸出 -36V ， 將生成的 -36V 作為輸入 , 其中 R12 的阻值一般采用 120 歐姆， R10 的阻值通過精確計算需采用2.76 千歐電阻， 經(jīng)過 LM337 即可轉(zhuǎn)化成所需的 -30V ， 提供給 VFD 的驅(qū)動芯片 STF1630 ； -30V 再由穩(wěn)壓管壓升高 4.7V ，加上電阻壓降后提供所需 -25V 電壓。 將 －25V電壓通過 LM317 轉(zhuǎn)化成所需的 －21.7V 電壓，其中 R13 和 R11 的阻值分別為 240 歐姆和 390 歐姆。 這樣就可在燈絲之間加入壓差為3.3V 并且可以至少提供 145mA 電流的穩(wěn)定直流電壓。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證電源的穩(wěn)定性， 經(jīng)過了多項測試 ， 主 反 饋 經(jīng) 過 LM7805 后 的 電 壓 U1,9V/0.3ALM7805 后的電壓 U2 ，隨負(fù)載的變化如下表 1 所示，完全符合需求。主反饋的精確、穩(wěn)定保證了其它路電壓也很穩(wěn)定且符合要求，經(jīng)檢測，能穩(wěn)定地給 VFD燈絲兩端提供 3.3V 的壓差， VFD 顯示很均勻；各項電壓均滿足工業(yè)稱重儀表的主控板和設(shè)定顯示板的需求，完全能保證儀表正常工作

5 結(jié)束語

本文針對所設(shè)計帶有 VFD 顯示屏的工業(yè)稱重儀表，基于 TOPSwitch-GX 芯片的單片開關(guān)電源設(shè)計出獨特的供電方案，設(shè)計中不僅保證主控板和設(shè)定顯示板的電壓和功率要求，而且留有一定的裕量，克服了傳統(tǒng)工頻變壓器效率低，體積大的的缺點。 在各個組成部分實現(xiàn)過程中，都是經(jīng)過較嚴(yán)格的分析和測試，保證電路的嚴(yán)謹(jǐn)、電路性能的穩(wěn)定和優(yōu)化，開關(guān)電源部分能夠達到開關(guān)電源性能指標(biāo)，整個供電方案設(shè)計出的電壓和功率能夠穩(wěn)定可靠的供應(yīng)工業(yè)稱重儀表的主控板和設(shè)定顯示板。

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