智慧路燈控制系統(tǒng)及電源設(shè)計(jì)探討

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摘要：設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于智慧路燈控制系統(tǒng)的雙路輸出AC-DC開(kāi)關(guān)電源。文中介紹了所設(shè)計(jì)電源的電路構(gòu)成、性能特點(diǎn)，詳細(xì)分析了電壓輸出反饋控制原理和反激變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)測(cè)結(jié)果表明，電源電路設(shè)計(jì)合理，該電源具有輸出穩(wěn)壓性較好和輸出電壓品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智慧路燈；控制系統(tǒng)；AC-DC開(kāi)關(guān)電源；變壓器；電壓輸出；智慧城市

近年來(lái)，城市智慧路燈被大范圍地推廣使用，它已經(jīng)成為重要的物聯(lián)網(wǎng)信息采集來(lái)源，是智慧城市的一個(gè)重要組成部分和重要建設(shè)入口。控制系統(tǒng)的供電電源作為智慧路燈設(shè)計(jì)的核心部分，目前仍存在效率低、防雷等級(jí)低、壽命短及可靠性差等問(wèn)題[1-4]。本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種抗EMI的AC-DC開(kāi)關(guān)電源，電源輸入為220V/50Hz工頻交流電，輸出一路直流15V和一路直流5V。輸出電壓5V通過(guò)光耦TLP185和穩(wěn)壓芯片TLV431進(jìn)行直接反饋，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。15V輸出電壓的穩(wěn)壓控制是通過(guò)變壓器次級(jí)線圈的匝比調(diào)節(jié)控制。

1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主電路采用的是單端反擊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于220V-AC輸入，通過(guò)EMI濾波器增強(qiáng)抗電磁干擾能力，再通過(guò)全橋整流變成直流輸入，兩路輸出分別為15V/1A和5V/2A。相比傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，本文采用了TopSwitch-HX交流/直流轉(zhuǎn)換控制芯片TOP253PN，把高壓功率MOSFET、PWM控制器集成到單個(gè)CMOS芯片中。為了消除變壓器漏感引起的變壓器原邊尖峰電壓，電源設(shè)計(jì)時(shí)在變壓器原邊端并聯(lián)了由電阻、電容和二極管組成的RCD吸收電路。主電路如圖1所示。智慧路燈控制系統(tǒng)的AC-DC電源設(shè)計(jì)陳星，周峰，許子航，劉朔源（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）摘要：設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于智慧路燈控制系統(tǒng)的雙路輸出AC-DC開(kāi)關(guān)電源。文中介紹了所設(shè)計(jì)電源的電路構(gòu)成、性能特點(diǎn)，詳細(xì)分析了電壓輸出反饋控制原理和反激變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)測(cè)結(jié)果表明，電源電路設(shè)計(jì)合理，該電源具有輸出穩(wěn)壓性較好和輸出電壓品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)。

2電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1電壓控制回路參數(shù)設(shè)計(jì)電源中的輸出電壓反饋控制部分是由電源控制芯片TOP253PN、穩(wěn)壓器TLV431A和光耦TLP185GR等主要器件組成。根據(jù)器件手冊(cè)可知，TLV431A作為電壓基準(zhǔn)源，提供VREF=2.5V的參考電壓和IREF=0.15μA的參考端電流。為了可靠運(yùn)行，穩(wěn)壓器通常利用串入限流電阻，使得實(shí)際電流在參考電流100倍以上[6-7]，由此根據(jù)公式（1），將R23取值10kΩ。（1）根據(jù)串聯(lián)電阻分壓原理，本設(shè)計(jì)中利用TLV431A作為基準(zhǔn)電壓源提供2.5V電壓，結(jié)合電阻R23和電阻R25分壓特性可得式（2），R25取值為10kΩ。（2）由TLV431A數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，器件正常工作電流必須要達(dá)到0.1mA，因此有：（3）根據(jù)光電耦合器TLP185GR的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，該款光耦的電流傳輸比CTR為80%～160%，導(dǎo)通壓降VF為1.2V，正向?qū)娏鱅F為5mA，故：由公式（3）和（4）可得，R15=150Ω，R19=1kΩ。2.2高頻變壓器設(shè)計(jì)2.2.1變壓器磁心選擇根據(jù)窗口面積法（AP法）[8-10]，計(jì)算參數(shù)AP公式如下：（5）其中：K為窗口系數(shù)，取0.4；Kf為波形系數(shù)，方波取4；fs為變壓器工作頻率，取150kHz；Bw為工作磁通密度，取1.4T；J為繞組電流密度的比例系數(shù)，取400A/cm2；PT=20W。通過(guò)計(jì)算得AP=0.32cm4，根據(jù)磁心AP值查表，本設(shè)計(jì)高頻變壓器磁心選擇EE25/19錳鋅鐵氧體。2.2.2變壓器繞組匝數(shù)原邊一次側(cè)繞組匝數(shù)NP為：NVDTBAPminDCS3試驗(yàn)結(jié)果及波形為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件如下：輸入電壓VAC=220V，開(kāi)關(guān)頻率為150kHz，輸出電壓分別為15V和5V；負(fù)載為實(shí)際負(fù)載，即智慧路燈中央控制器。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，輸出電壓1，即15V輸出電壓的平均值為15.1V；輸出電壓2，即5V輸出電壓的平均值為5.05V。為了驗(yàn)證電源的電壓品質(zhì)，對(duì)輸出電壓的紋波進(jìn)行檢測(cè)，輸入端為市電220V-AC，輸出電壓1紋波峰峰值為328mV；輸出電壓2紋波峰峰值為228mV。輸出電壓波形和輸出紋波分別如圖4、圖5所示。根據(jù)樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的AC-DC開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓品質(zhì)符合設(shè)計(jì)性能要求，能滿足實(shí)際工況應(yīng)用。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于智慧路燈控制系統(tǒng)的雙路輸出AC-DC開(kāi)關(guān)電源。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該電源成功克服了傳統(tǒng)雙路輸出電源的防雷等級(jí)低、壽命短及可靠性差等弊端。該電源有輸出穩(wěn)壓性能好和輸出電壓品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，具備良好的通用性。注：本文通訊作者為周峰。

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作者：陳星 周峰 許子航 劉朔源 單位：揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院