摘   要: 为满足步进电机驱动调压电源的需要，设计了一种新型多功能受控可调开关电源。设计中采用半桥拓扑结构实现，分析了电源的工作原理及工作过程，利用单片机STM32F103VC调节PWM调制芯片SG3525的参考电压端口，实现稳压调压。实验结果表明，该电源具有高电压调整率和负载调整率、体积小、质量轻等优点，完全满足步进电机调频调压驱动方式的驱动电源的要求。
关键词: 开关电源； SG3525； PWM控制器； 程控电源

    步进电机的调频调压驱动方式需要一种受频率可控的可调电源。本文介绍一种调频调压电源电路，输出电压随步进电机工作频率的变化而变化，从而保证电机低频平稳运行，高频有力矩输出。用于雕刻机的步进电机驱动电源要求0~60 V可调，额定电流4 A，为实验方便，输入市电220 V，电源的纹波要求5%以内，效率80%左右。
1 调压电源原理分析
     设计基于单片机的可调电源的方案一般选取开关电源，而不是线性电源。由于总功率约250 W，线性电源体积大，发热严重，设计调试困难。相反，开关电源工作在开关状态，工作效率高，适合中大功率电源的研发，目前专用PWM集成芯片已大大简化了开关电源的外围电路设计。因此，调频调压驱动电源采用开关电源的设计方案。开关电源有很多种分类方式，如正激式、反激式、推挽型、半桥型与全桥型等拓扑。半桥型与其他拓扑结构相比具有很多优点：多组隔离输出、容易进行功率匹配，抗不平衡能力强，安全稳定及EMI干扰较低，故得到了极其广泛的应用[1]。
    单片机控制可调开关电源设计有两种方案，一种是单片机直接控制开关器件导通和截止，通过反馈实时改变PWM信号的占空比，实现调压稳压；另一种方案是单片机控制脉冲宽度调制芯片的反馈比较端口，通过改变专用PWM芯片的参考电压来间接地控制开关管调压。本可调开关电源采用单片机控制脉宽调制芯片方案。
    半桥型开关电源的拓扑结构如图1所示[2-4]。控制电路输出的PWM信号使图中功率开关管Q1、Q2轮流导通。C1、C2和R1、R2参数相同，起到分压作用，故在Q1和Q2都截止时，R1和R2之间的电压为Ui/2。Q1导通时，电容C1放电，C1、Q1、变压器原边、C3构成放电回路。同时,输入电压Ui对储存电容C2进行充电，直至Q1关断。当Q2导通时，工作过程与Q1类似，对称电容交替进行储能和放电。输出回路中D1和D2起整流作用，L和C4为滤波电路。改变Q1和Q2处PWM的占空比即可实现调压、稳压的目的，实际应用中在变压器原边串入一个耦合电容C4，以增加电路的抗不平衡能力。

2 PWM控制电路的设计
2.1系统框图
    程控可调开关电源的系统框图如图2所示，整个电路包括滤波整流电路、变压器回路、稳压滤波电路、PWM控制器电路和电压调节反馈回路。输入交流电经整流滤波后得到的直流电压加到开关管和变压器线圈上，由PWM控制器SG3525分配开关管的导通和截止时间，以完成对变压器原边绕组的充放电控制；次级输出通过稳压滤波得到满足要求的直流电压，由STM32F103VC输出可调节PWM改变参考电压，确保输出电压可调。

2.2 可调开关电源设计原理
    本可调电源采用一款高性能专用PWM芯片SG3525实现，步进电机调频调压电源的控制电路如图3所示。单片机控制信号PWM由J1输入,通过光耦调节，与输出信号共同反馈到SG3525的反相输入端和补偿端，用以改变11脚和14脚输出的PWM占空比，使得电源输出稳定、可调。C15和R2为片内振荡器外接电容、电阻，可设定输出PWM波的斩波频率。SG3525的工作频率为：
  
3 半桥元件参数计算与选择
　半桥式开关电源的AC-DC部分电路如图4所示。整个电路包括输入全桥整流、半桥逆变和输出整流。由于SG3525输出的PWM无法直接驱动电子开关管，所以经过一个推动变压器和放大电路连接MOS管。根据推动变压器的同名端分析，Q5和Q6开关管轮流导通，将整流桥后的直流电逆变成交流电，最后整流输出直流电压。逆变结构中的电容C2和C3中点电压为整流桥电压的一半，约为150 V。当Q5导通时，C2上的150 V加在变压器T1的原边绕组上，则D9呈现通态；当Q6导通时，T1原边上的电压极性和Q5导通时的极性相反，D8处于通态。其中，隔直电容C4用来消除半桥电容C2、C3连接点的电位浮动，保证中间连接点的电位平衡，防止因为变压器磁芯饱和引起开关管损坏的现象。输出端的变压器T1副边电路的工作过程如下：Q6导通时,由正激变换原理可知，副边绕组激励到的电压使D8导通，电感L1储能；当D8反向截止时，电感L1反激，储存的能量相负载释放。D9在另半个周期内过程与上述一致。所以整个周期内，由于Q5、Q6的轮流导通，半桥式开关电源都向负载提供功率输出，输出电压特性好，电流响应速度快。下面分析主电路中的主要参数的选取和计算。
3.1 高频变压器的设计
  
    

 

    经测试及长时间使用证明，该电源具有适用范围广、输出稳定可调、成本小、完全满足步进电机驱动性能需求等优点，现已投入实际步进电机驱动系统中使用，工作稳定可靠。
参考文献
[1] 张占松，蔡宣三． 开关电源的原理与设计[M]．北京：电子工业出版社，2005．
[2] 张波,焦小芝. 基于SG3525A的半桥式开关电源[J].电子与封装，2012，12(6):18-20.
[3] 张曦,王玉琳,刘光复. 一种新型的五相混合式步进电动机驱动电源[J]. 组合机床与自动化加工技术,2011(11): 59-62.
[4] 陈培民.五相混合式步进电动机PWM调频调压驱动[J].华侨大学学报(自然科学版),1995,16(2):145-149.