IR4015模式锅炉仪表电源-脉冲比率控制优化

时间：2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图5-14 采用脉冲比率控制模式IR4015的仪表电源1）根据需要，可选用准谐振模式和脉冲比率控制模式。图5-15是IR4015内部结构框图。两种控制工作在准谐振模式与脉冲比率控制模式之中，通过变压器辅助绕组的电压来决定两种模式之间的切换时刻。图5-15 IR4015内部结构框图3）电路具有很强的抑制EMI的能力。VD9、R2、R3、C4是IC1的启动电源，VD2、C4是IC1的工作电源。C5电容容量C5选用2200μF、400V、105℃的铝电解电容。

IR4015电源控制芯片广泛用于工业自动化仪器仪表，也用于医疗卫生诊断仪器仪表，属于脉冲触发控制单片双模式，结构简单，体积小，性价比高。用于锅炉水位四冲量集环检测控制电源，要求电源具有稳定的工作状态，抗EMI性能好，并有很好的电磁兼容性，面临高温多粉尘的工作环境能完好不失真的进行信号传递。

1.IR4015功能电路特点

IR4015是IR公司于2002年推出的产品，是脉冲比率控制模式，采用电流和电压双量受控方法对电路输出状况进行检测、调整、锁定、保护、驱动各种参数处理，如图5-14所示。

图5-14 采用脉冲比率控制模式IR4015的仪表电源

1）根据需要，可选用准谐振模式和脉冲比率控制模式。准谐振模式电子开关零电压导通（ZVS）、零电流关断（ZCS），它是将PWM加上谐振网络实现零开关。它的工作频率可设计到2MHz或更高，从而提高电源的功率密度，但实现准谐振对一般环境条件有一定难度，结构比较复杂，调整监测的设备较多。脉冲比率控制模式是在通用的脉冲宽度调节的基础上利用脉冲周期时间作为基准，按输出工况变化进行调整控制，从理论上实现难度较小，并不需很多的设备，电路不要增添更多的元器件。图5-15是IR4015内部结构框图。

2）电路的变压器将控制模式分为两种：变压器的一次侧为电流控制模式，变压器的二次侧为电压控制模式。电流控制是通过开关管VT₁检测到集电极电流的大小进行控制。电压控制是通过输出电压的高低由精密稳压源和光耦合器组成电压负反馈，反馈信号进入FB端，由片内比较器、中央控制器将比较结果送功率驱动管驱动，调制变压器一次绕组的振荡频率，达到改变或稳定输出电压。两种控制工作在准谐振模式与脉冲比率控制模式之中，通过变压器辅助绕组的电压来决定两种模式之间的切换时刻。在正常工作状态下，辅助绕组的电压较高，模式切换设计选在适当水平，使开关管VT₁处于导通，准谐振信号延时，当电路为轻载或空载时，反馈延时信号无效，电路进入准谐振模式。

图5-15 IR4015内部结构框图

3）电路具有很强的抑制EMI的能力。因为工控仪表处在高电压大电流、多发交变磁场的环境，低频噪声干扰和传导干扰以及高频射电干扰、强大的磁场干扰，在这种“干扰恶劣”的条件下，每台电子设备都必须具备很好的抑制EMI的能力，都必须具备抗共模干扰和串模干扰的能力，都必须具有很好的EMC，否则将无“安身之地”，IR4015电源电路在设计上和控制模式方面处在顶级，它的效率可达到90%，电路适用于全球。

4）电路具有过电压保护、欠电压锁定、过电流保护、欠电流待机、过温保护、短路保护等多种保护功能，电源处在安全可靠之中，有利于生产制造和设备维护。

2.电路工作原理

原理图如图5-14所示，C₁～C₄、L₁、L₂组成输入回路EMI抑制电路。L₁、C₁、C₂组成π型滤波电路，L₁电感量较小，用来抑制高频段干扰，L₂的电感量较大，主要抑制低频段干扰，两个电感所用的磁心材料有所不同，L₁磁心选用_μi为20000的铁氧体，L₂选用μ_i为12000左右的铁氧体，再与合适的电感量相配，防止磁心进入饱和。

VD₉、R₂、R3、C4是IC₁的启动电源，VD₂、C₄是IC₁的工作电源。C₈是高频旁路电容，C₇是Y电容，用于抗共模干扰。R₄、C₆、VD₁、VS₁组成R—C—D双连网络吸收由绕组漏感所产生的峰值电压，保护IC₁的运行安全。

由R₅、VD₃、VT₁、VD₅，组成电流检测电路，对电源实施过电流、短路保护。C₁₂是高频旁路电容，R₉是VT₁的负载电阻，从中取出电压信号，执行具有电压和电流双模式控制方式。

二次回路的VD₇是肖特基整流二极管，一般情况下，只有在输出电流大于2A的电路中，才选用反向恢复时间（t_rr）小于10ns的肖特基二极管。R₁₃、C₁₄是VD₇的加速开关阻容电路，抑制由变压器二次向用电电源输出的高频电压。VT₂、R₁₆、VTH、VD₈是过电流保护电路，当输出电流超过设计值时，电流在R₁₄上的压降增大，使VT₂导通，电流在R₁₆上所产生电压使晶闸管导通，这样输出端V_o1与地短接，这时V_o1无电流输出，起到过电流保护的目的。

R₂₃、IC2、IC3、R17～R21是V_o1、V_o2输出电压稳压控制取样负反馈电路，对电压控制模式更加具体化。IC₄是5V输出控制模块。第二次用单片三端稳压块进行稳压，第一次是VS₃将24V电压降到12V，可以说R₁₇通过IC₃进行第三次稳压，这次稳压与前两次是不一样的，这次不但使输出电压稳定，而且根据输出负载的大小进行调制。V_o2所承担是锅炉水位PID调节供电系统，电压稳定是实现整个锅炉自动控制的关键。