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温控风机电源的研制

2008-07-22
作者:孟祥雷

    摘 要: 风冷形式是多数大功率电源" title="大功率电源">大功率电源采用的冷却方式,而风冷形式的关键器件就是风机。介绍了利用控制芯片MC34063A实现风机的温度控制,从而达到增加风机寿命的目的。
    关键词: 温控  温度传感器  反馈  过压保护  欠压保护

 

    在大功率电源研制过程中,必须解决其功率器件" title="功率器件">功率器件的散热问题,例如可控硅模块,一般采用散热器自然冷却方式和风冷方式。散热条件的好坏直接影响到功率器件的运行正常与否,也就影响到电源的运行质量。因此,在风冷情况下,风机的正常运转是保证功率器件正常散热乃至电源正常运行的不可缺少的条件。风机的转速愈快,排风量愈大,散热的效果就愈明显。实践中,多采用无炭刷直流风机。不管风机的轴承是滚珠轴承、含油轴承还是特殊合金轴承,只要风机运转,轴承就会有磨损。风机运转速度愈快,时间愈长,磨损就愈严重,寿命就愈短。为了保证风机正常运转,尽可能延长风机的使用寿命,笔者研制了温控风机电源。
1 电源电路基本原理
    电路中采用的风机为无炭刷直流风机AD1212HB-F51,额定电压为+12V。当风机电源为+12V时,风机全速运转。当风机供电电压" title="供电电压">供电电压在+6V~+12V之间时,风机可正常运转,转速约1000转/分钟到2 500转/分钟。供电电压愈高,转速愈快。该电源的设计基于这样的思想:输出的直流电压随可控硅模块散热器温度(可近似于可控硅模块温度)的变化而变化。温度高,则输出电压" title="输出电压">输出电压高;温度低,则输出电压低。必须保证的是其输出电压必须在+6V~+12V范围内。
    电路采用BUCK型DC-DC变换器设计,控制芯片为MC34063A。电路的基本工作原理如图1所示。

 


    输入电压为+25V,由于风机额定电流为0.5A,采用外接P型MOSFET作为功率开关管。输出电压经R1、R2分压,A点为输出电压反馈" title="电压反馈">电压反馈点,反馈电压与内部参考电压1.25V进行比较放大,控制开关管VT1的开通与关断时间,形成一个输出电压的闭环控制。对于固定的输出电压,R1/R2为固定的比值,则

   

    而电路中的Rsc、CT、L和C3则由(2)、(3)、(4)、(5)和(6)式决定。

   

    要实现输出电压由温度控制的目的,需将温度传感电路加入电压反馈电路。电路中采用的温度传感器为高精度负温度系数(NTC)热敏电阻芯片,型号为CWF54A2,R25=10kΩ±1%,B25/85℃=3950K±2%,其R—T阻温特性如表1所示。

 


    将温度传感器加入电压反馈后的电路如图2所示,其中RT为热敏电阻芯片,其阻值随温度的变化而变化。由于串联在电压反馈电路中,从而引起输出电压反馈端A点电位的变化,最终引起输出电压的改变,这就是温控风机电源的基本原理。在图2中,VD2起保护开关管VT1的作用;VD3的作用是防止输出电压过大,当输出电压大于12.2V时,VD3击穿,反馈点A的电位发生变化,从而引起输出电压的变化,达到过压保护的目的;VD4的作用是防止输出电压过低,当输出电压小于6.5V时,VD4不能被击穿,反馈点A的电位较低,使功率开关增加开通时间,直到输出电压增加到大于6.5V为止,起到欠压保护的作用;R4的作用是防止温度传感芯片接点短路,当接点TH(1)、TH(2)短路时,输出电压达到最大;R3、R5起输出电压分压调整的作用,使得电路在正常使用范围时,输出电压与温度基本成线性关系。实际使用的环境是10℃~60℃,当可控硅的温度低于10℃时,电源的输出电压必须大于6V;当可控硅的温度高于60℃时,电源的输出电压为12.2V。电源的输出电压为风机供电电压和风机上检测电阻的电压之和。表2是该电源实际使用时输出电压与温度的关系。

 

 

    当温度高于60℃时,输出电压达到最大,风机上的电压为11.95V。
2 风机检测电路原理
    在设计大功率电源系统时,考虑了功率器件的最大散热量而选取了适当的散热器和适当排风量的风扇。尽管还考虑了极限情况(70℃)而加装了温度继电器来通知监控系统关电,但检测风机运转正常与否也是必不可少的环节,可利用直流风机运转时产生的脉冲进行检测。将风机检测电阻R6串联在风机供电电路中,检测R6上的电平变化就可检测到风机的运转情况。R6须选得适当,太大则增大电路的损耗,太小则不易检测到。

    风机检测电路由脉冲采集、电平转换、脉冲放大、脉冲倍压整流和电平比较等部分组成,如图3所示。当风扇运转时,R6上的脉冲经C6耦合后,叠加在电源中间电平6V上进行放大(采用单电源)。放大后的脉冲经C7耦合并由VD5、VD6和C8倍压整流滤波后,得一电平与+3V参考电平进行比较。若风机运转,则V2≥4V,V3为低电平;若风机不运转,则V2=0,V3为高电平。由此可检测到风机是否运转。

 


    本文提出了一种基于温度变化而使输出电压变化的智能风机电源,并辅以风机检测电路,可延长风机寿命,确保风机长时间正常运行,为大功率电源功率器件的正常散热提供了可靠的保证,从而为大功率电源的正常运行提供了一定的条件。
参考文献
[1] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计.北京:电子工业出版社,1999.
[2]  MC34063A,Step-Up/ down/ inverting switching regulators.   http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063A-D.PDF,2000.

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