DIY隔离升压电源

所需材料

        硬木课堂实验平台，铁氧体磁芯变压

        74HC04，PMOS AO3409，NMOS AS2304，NE555P，1N5819,

        电容47uF50V耐压，470pF，1K电阻，2.2K电阻，200欧电阻

        实心硬线导线

关键字 555振荡器，MOS管，H桥驱动，隔离电源，高频变压器

背景知识

        隔离电源是指可以提供跟输入电压不共地的电源。正是利用了变压器的磁耦合，用磁场进行了电路隔离。隔离就是指不共地。隔离电源在电子系统中的应用非常广泛。医疗电子，电机控制，电力电子，都可以看到。主要目的就是隔离低压部分和含有高压的部分，并传输电能。例如医疗电子中，通过隔离电源提高了接触人体的医疗设备安全性，以防220V上窜入的高压导致意外伤害。电机控制中，可以防止电机内线圈电感产生的高压感应电动势对控制电路的伤害。

经过隔离电源后，左侧的两根线，跟右侧两根线之间没有电压差。地线隔离。

原理图

        NE555电路产生占空比50%的方波，频率在300KHz左右。然后方波经过非门的缓冲和取反，得到两个有驱动能力的相位差180度的方波。两个方波控制PMOS和NMOS的H桥，将直流电源电压转化为交流，相位差180度的方波。然后带动变压器，变压器内部磁场交替翻转，就在另一端产生电压输出。输出电压跟输入电压的比值，等于匝数N2：N1。最后用1N5819进行全波整流，经过47uF电容后得到直流输出。

        74HC04中有6个非门，可以并联使用，增强驱动能力。因为MOS管的栅极有电容，所以如果驱动能力弱，则方波的边沿不陡峭。PMOS和NMOS在方波边沿的中间点会存在同时导通的情况。方波边沿不陡峭，则这个导通时间就增加，PMOS和NMOS就会发热。也就是开关损耗增加。

        一般在大功率应用中会加入“死区保护”时间。小功率应用中，增加方波边沿的陡峭程度就可以，在几十ns级别。

        采用高频300KHz，是因为变压器是铁氧体磁芯，电感量在几十uH，低频会出现电感饱和。整流用1N5819二极管，开关速度快。

        测试隔离电源输出时，要接线共地。实际使用中两侧的电路是不共地的。

硬件实物

        用两个1K并联作为500欧，给隔离电源当负载。23V 500欧，约1.06W功率。H 桥后面可以接一个变压器构成一个隔离电源，也可以接两个变压器构成两路。输出功率增加，对5V供电和H桥的驱动，MOS管都要相应增加功率。

实测调试

启动主界面中的Scope和Power

设置5V，500mA，开启电源

开启示波器，测试点如原理图中所示。可以看到红色AIN3，直流电压23.15V。

在测量区域点击右键，添加测量值。

        计算效率，输入功率5V*0.251A=1.25W。输出功率= 23.15V* 23.15V/500=1.07W。效率为 1.07W/1.25W=85.6%。功率损耗分布在电路中的芯片，MOS管开关损耗，变压器线圈直流电阻，整流管导通损耗。

提高效率可以加入MOS管的死区时间，增粗变压器线径（体积增加）等方法。

总结

        通过本实验，我们了解了隔离电源的工作原理。掌握了调试和测试方法。利用学过的基础电路，完成了一个有实用功能的电子线路。

        有兴趣的读者还可以研究一下电子脉冲点火电路。将5V电压升的更高，从而产生火花放电。脉冲点火电路在燃气灶，燃气热水器，汽车火花塞，灭蝇器等产品中都有应用。

 

扩展测试，方波边沿对H桥效率的影响

        原理图中用了3个非门并联提高驱动能力，提高了效率。下面从一个非门开始，逐步并联为3个，测试一下对应的损耗变化。隔离电源输出不带负载。