1 引言

用於定量包裝生產的工業稱重儀表常采用 LED 顯示，使得儀表的功能受限，不能滿足工業生產上的要求，而采用顯示內容豐富真空熒光顯示屏 (VFD) ，使儀表的市場前景非常廣闊。 傳統的對 VFD 供電方法采用交流供電，需要變壓器，這加大了電源板的體積；本設計采用直流供電，燈絲兩端用壓差為 3.3V 直流驅動，而它們由開關電源的基本輸出轉換而成，開關電源經過幾十年的發展，朝著體積小，效率高的方向發展；本文設計避免了采用笨重的工頻變壓器，並利用 PI 公司新推出的第四代 TOPSwitch 係列芯片和較小的濾波元器件，使開關電源體積很大程度減小。

同時考慮主控板電壓需求後，為保證控製板和顯示板的都穩定的工作，對稱重儀表的電源板作出合理的分析和設計，單片開關電源效率高、外圍電路簡單並且實現 5 路輸出，本文利用 PI EXPERT6.5 軟件輔助設計，生成關鍵參數作為參考，設計出滿足稱重儀表的多路穩定的電壓要求的電路。

2 開關電源設計基本結構

本文開關電源用的是 PWM 方式，即在頻率一定的情況下通過改變脈衝寬度來調節占空比 [1] 。 開關電源利用體積很小的高頻變壓器來實現電壓轉換及電網隔離的，而且外圍電路簡單、效率高、穩定可靠。 開關電源的功率調整器件處於開關工作狀態，效率比線性電源高 [2] 。

選用 TOPSwitch-GX 係列產品的 TOP245Y 設計的單片開關電源輸入交流 85V～265V ，經過電網濾波、整流濾波，鉗位保護、高頻變壓器，再經過二次側整流濾波電路得到初始基本輸出為 9V/0.4A 、 9V/0.3A 、 －36V/0.3A 、 24V/0.3A 、 12V/0.5A; 再經過電路轉換為所需電壓，其中，選擇 9V/0.4A 作為取樣反饋，經過光耦和 TOP245Y 為主的元器件到鉗位保護電路，從而保證了輸出的穩定性。

電網濾波用來抑製接入電網與開關電源的相互幹擾 ; 整流濾波是通過整流橋將來自電網的交流電轉化為直流電；鉗位保護電路主要是通過 P6KE200A 和UF4007 反向串聯來防止變壓器的感應電壓過高；變壓器是整個開關電源最為關鍵的部分，它同時實現了電網隔離、能量存儲和電壓轉換的功能 ^[3] 。 二次側整流濾波將交流電轉換為直流電，並電壓中的紋波成分盡可能除掉 ^[4] 。

2.1 多路輸出式高頻變壓器的設計

變壓器選用 EEL22 類型的磁芯，通過計算（具體計算方法可參考參考文獻 [3] ，也可結合計算機輔助軟件 PI EXPERT6.5 得到可供參考的參數），初級電感量為 390μH ，一級繞組為50 匝 ， 偏 置 繞 組 為 6 匝 ， 9V/0.4A 、 9V/0.3A 、 -36V/0.3A 、 24V/0.3A 、 12V/0.5A 這幾路輸出分別對應的線圈匝數為 3 匝、 3 匝、 12 匝、 8 匝、 4 匝 ( 變壓器繞製方法參考參考文獻 ^[5]) 。

2.2 TOPSwitch－GX 芯片的選擇

TOPSwitch－GX 芯片是 TOP 開關穩壓器第四代產品， 當開關電源負載 很輕時， 能將開關頻率從132kHz 降低到 30kHz, 可降低開減損耗 ^[6] 。本設計理論上 可 采 用 TOP244Y 、 TOP245Y 、 TOP246Y 這 三 種 芯片，通過大量的實驗分析，如選用 TOP244Y ，散熱會嚴重影響開關電源的壽命，若選用 TOP245Y 、TOP246Y 可以很好的解決這個問題，但 TOP246Y 的裕量過大，本設計選用了 TOP245Y ，既留有一定裕量 , 又滿足了設計要求，易於安裝和散熱。 TOPSwitch－GX 芯片在實際工作過程中需要使用散熱器，散熱麵積要足夠大 ^[7] 。

2.3 反饋電路的設計

所采用的主要元件是三端可編程並聯穩壓二極管TL431 和光耦 PC817 ， 反饋電路的工作原理是當被選定當作反饋的一個輸出電壓9V/0.3A 發生改變時， 經過阻值為 10K 和 26.1K 的電阻分壓後得到的取樣電壓就與 2.5V 基準電壓進行比較，從而導致發光二極管的工作電流也發生變化，光耦引起 TOP245Y 的控製端電流的大小變化，調節的輸出占空比，使輸出電壓趨於穩定 ^[8] 。

2.4 生成主控板和設定顯示板所需電壓 ＋5V 電壓

主控板上是實現 A/D 轉換，需要精準的 +5V 作為電壓，而為了保證主控板的 A/D 轉化不受設定顯示板負載變化的影響，所以先由開關電源電路產生 9V 左右穩定電壓（若不是主反饋電壓，電壓會隨著負載大小有很小的變化），然後均由穩壓芯片 LM7805 來穩壓，得到主控板需求的 +5V 電壓；光耦輸出需要的的 +24V 電壓直接由二次側整流濾波得到。設定顯示板所需的 ＋5V 電壓和主控板所需 ＋5V 電壓的得到的方式是相同的。

2.5 開關電源抗幹擾設計

在交流電源的進線端接一 104 電容，既可抑製來自電網的幹擾，也可抑製開關電源對電網的幹擾。 在 P6KE200A 正極與開關電源主輸出的地之間接電容，濾除變壓器一次、二次繞組耦合電容產生的共模幹擾 ^[8-9] 。 在開關電源輸出端會出現頻率很高的尖峰幹擾，為克服輸出電壓中的尖峰，要在輸出端加一電感值很小的電感 ^[10] 。

3 VFD 顯示供電設計

3.1 VFD 顯示供電需求分析

VFD 顯示屏由柵極、陽極電壓和燈絲（陰極）構成，對燈絲電壓驅動可分為交流驅動和直流驅動。 交流驅動需要笨重的變壓器，且容易受到電網的影響，本文采用直流驅動方式對 VFD 供電，燈絲之間要加入壓差為 3.3V 的電壓，但 VFD 的驅動單靠單片機很難滿足其要求， 本文采用專用的驅動芯片 STF16360EN 解決了這個問題，直接靜態驅動 VFD 。 VFD 、 STF16360EN 和單片機的應用線路圖，同時還需要對 STF16360EN 提供 +5V 、 0V 和 -30V 電壓。

3.2 VFD 顯示供電實現

前麵得到開電源基本電壓輸出 -36V ， 將生成的 -36V 作為輸入 , 其中 R12 的阻值一般采用 120 歐姆， R10 的阻值通過精確計算需采用2.76 千歐電阻， 經過 LM337 即可轉化成所需的 -30V ， 提供給 VFD 的驅動芯片 STF1630 ； -30V 再由穩壓管壓升高 4.7V ，加上電阻壓降後提供所需 -25V 電壓。 將 －25V電壓通過 LM317 轉化成所需的 －21.7V 電壓，其中 R13 和 R11 的阻值分別為 240 歐姆和 390 歐姆。 這樣就可在燈絲之間加入壓差為3.3V 並且可以至少提供 145mA 電流的穩定直流電壓。

4 實驗數據分析

為了驗證電源的穩定性， 經過了多項測試 ， 主 反 饋 經 過 LM7805 後 的 電 壓 U1,9V/0.3ALM7805 後的電壓 U2 ，隨負載的變化如下表 1 所示，完全符合需求。主反饋的精確、穩定保證了其它路電壓也很穩定且符合要求，經檢測，能穩定地給 VFD燈絲兩端提供 3.3V 的壓差， VFD 顯示很均勻；各項電壓均滿足工業稱重儀表的主控板和設定顯示板的需求，完全能保證儀表正常工作

5 結束語

本文針對所設計帶有 VFD 顯示屏的工業稱重儀表，基於 TOPSwitch-GX 芯片的單片開關電源設計出獨特的供電方案，設計中不僅保證主控板和設定顯示板的電壓和功率要求，而且留有一定的裕量，克服了傳統工頻變壓器效率低，體積大的的缺點。 在各個組成部分實現過程中，都是經過較嚴格的分析和測試，保證電路的嚴謹、電路性能的穩定和優化，開關電源部分能夠達到開關電源性能指標，整個供電方案設計出的電壓和功率能夠穩定可靠的供應工業稱重儀表的主控板和設定顯示板。

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