AC/DC数字电源参考设计方案

一、引言

AC/DC数字电源在现代电子设备中扮演着至关重要的角色，它将交流电转换为直流电，为各种设备提供稳定的电力供应。随着技术的发展，AC/DC数字电源的设计也在不断进步，以满足更高效、更稳定、更智能的需求。本方案将详细介绍一种基于STM32F334C8的2KW AC/DC数字电源设计，包括优选元器件型号、器件作用、选择理由、元器件功能以及在方案中的电路框图。

二、系统概述

本方案设计的2KW AC/DC数字电源主要由两个功率部分组成：两相交错功率因数校正器（PFC）和ZVS DC/DC移相全桥DCDC变换器。交错式PFC包括两个基于600V MDmesh M2功率MOSFET且相位差为180°的升压转换器。下游部分包括一个基于MDmesh DM2功率MOSFET的DC/DC相移全桥转换器，并使用HF变压器执行降压。通过调节选择的初级与次级比例，可在整个工作范围内保持足够高的效率。

三、优选元器件型号及作用

1. 微控制器：STM32F334C8

• 型号：STM32F334C8

• 作用：作为数字电源的控制核心，负责采样、计算、控制算法的执行以及保护功能的实现。

• 选择理由：STM32F334C8是一款高性能、低功耗的32位微控制器，具有丰富的外设接口和强大的计算能力，能够满足数字电源对控制精度和响应速度的要求。同时，它还支持多种通信协议，便于与其他设备进行数据交换。

• 功能：在方案中，STM32F334C8通过ADC采样输入电压、电流和输出电压，根据预设的算法计算控制信号，通过PWM输出控制功率开关管的导通和关断，实现稳定的电压输出。同时，它还负责监测电源的工作状态，当出现过压、过流、欠压等异常情况时，及时触发保护功能，确保电源的安全运行。

2. 功率MOSFET：MDmesh M2和MDmesh DM2

• 型号：MDmesh M2（PFC部分）、MDmesh DM2（DC/DC部分）

• 作用：作为功率开关管，负责将输入的交流电转换为直流电，并在DC/DC变换器中实现电压的进一步变换。

• 选择理由：MDmesh系列功率MOSFET具有低导通电阻、高开关速度和低栅极电荷等优点，能够减少开关损耗，提高电源的效率。同时，它们还具有良好的热稳定性和可靠性，能够确保电源在长时间运行下的稳定性。

• 功能：在PFC部分，MDmesh M2功率MOSFET根据STM32F334C8输出的PWM信号进行导通和关断，实现输入电流的整形和控制，提高功率因数。在DC/DC部分，MDmesh DM2功率MOSFET同样根据PWM信号进行工作，实现电压的降压变换，并输出稳定的直流电压。

3. 高频变压器

• 型号：根据具体设计要求定制

• 作用：实现输入与输出之间的电气隔离，并进行电压变换。

• 选择理由：高频变压器是AC/DC数字电源中的关键组件，其性能直接影响电源的效率和稳定性。选择时需要考虑磁芯材料、绕组匝数、绝缘性能等因素。定制的高频变压器可以根据具体的设计要求进行优化，以达到最佳的性能。

• 功能：在方案中，高频变压器将PFC部分输出的直流电压变换为DC/DC部分所需的电压等级，并通过电气隔离提高电源的安全性。同时，它还能够实现电压的精确调节，以满足不同负载的电压需求。

4. 输入滤波器

• 型号：根据具体设计要求选择

• 作用：滤除输入交流电中的高频噪声和干扰，保护后级电路。

• 选择理由：输入滤波器是AC/DC数字电源的第一道防线，其性能直接影响电源的电磁兼容性（EMC）。选择时需要考虑滤波器的截止频率、插入损耗等参数。

• 功能：在方案中，输入滤波器将输入交流电中的高频噪声和干扰滤除，确保后级电路能够正常工作。同时，它还能够减少电源对电网的谐波污染，符合相关电气标准要求。

5. 输出滤波器

• 型号：根据具体设计要求选择

• 作用：滤除输出直流电中的纹波和噪声，提高输出电压的稳定性。

• 选择理由：输出滤波器是AC/DC数字电源的最后一道防线，其性能直接影响电源的输出质量。选择时需要考虑滤波器的截止频率、插入损耗等参数。

• 功能：在方案中，输出滤波器将DC/DC部分输出的直流电中的纹波和噪声滤除，确保输出电压的稳定性和纯净度。同时，它还能够减少电源对负载的干扰，提高负载的工作性能。

6. 保护电路

• 型号：根据具体设计要求选择（如过压保护电路、过流保护电路等）

• 作用：监测电源的工作状态，当出现异常情况时及时触发保护功能，确保电源的安全运行。

• 选择理由：保护电路是AC/DC数字电源的重要组成部分，其性能直接影响电源的安全性和可靠性。选择时需要考虑保护电路的响应速度、保护阈值等参数。

• 功能：在方案中，保护电路实时监测电源的工作状态，如输入电压、输出电压、输出电流等。当出现过压、过流、欠压等异常情况时，保护电路及时触发保护功能，如切断电源输出、降低输出功率等，以确保电源和负载的安全。

四、电路框图

+-------------+

									|	输入滤波器  |

									+-------------+

											|

											|

									+-------------+

									|	  整流器   |

									+-------------+

											|

											|

							+-------------------+	  +-------------------+

							|   PFC控制器	  |	  |   PFC功率级	   |

							+-------------------+	  +-------------------+

									|												  |

									|												  |

							+-------------------+	  +-------------------+

							|   MDmesh M2	   |	  |   MDmesh M2	   |

							+-------------------+	  +-------------------+

									|												  |

									|												  |

									+------------------------------+

																					|

											+-------------+

											|  高频变压器 |

											+-------------+

													|

													|

							+-------------------+	  +-------------------+

							|   DC/DC控制器   |	  |   DC/DC功率级   |

							+-------------------+	  +-------------------+

									|												  |

									|												  |

							+-------------------+	  +-------------------+

							|   MDmesh DM2	  |	  |   MDmesh DM2	  |

							+-------------------+	  +-------------------+

									|												  |

									|												  |

									+------------------------------+

																					|

											+-------------+

											|  输出滤波器 |

											+-------------+

													|

													|

											+-------------+

											|	  负载	  |

											+-------------+



											+-------------+

											|  保护电路   |

											+-------------+

													|

													|（监测并保护整个电源系统）

五、详细设计说明

1. 输入滤波器设计

输入滤波器的主要作用是滤除输入交流电中的高频噪声和干扰，保护后级电路。在设计时，需要考虑滤波器的截止频率、插入损耗等参数。通常，输入滤波器由电感、电容等元件组成，形成LC滤波器或π型滤波器。在本方案中，根据具体的设计要求选择合适的滤波器类型和元件参数，以确保滤波器的性能满足要求。

2. 整流器设计

整流器的作用是将输入的交流电转换为脉动直流电。在本方案中，采用全桥整流电路将交流电转换为直流电。全桥整流电路具有较高的转换效率和较低的纹波系数，但电路结构相对复杂。在设计时，需要选择合适的二极管型号和参数，以确保整流器的性能满足要求。

3. PFC控制器设计

PFC控制器负责控制PFC功率级的工作，实现输入电流的整形和控制，提高功率因数。在本方案中，采用STM32F334C8作为PFC控制器，通过ADC采样输入电压和电流，根据预设的算法计算控制信号，通过PWM输出控制MDmesh M2功率MOSFET的导通和关断。在设计时，需要考虑控制算法的精度和响应速度，以确保PFC控制器的性能满足要求。

4. PFC功率级设计

PFC功率级由两个基于MDmesh M2功率MOSFET的升压转换器组成，且相位差为180°。在设计时，需要考虑升压转换器的电路拓扑、元件参数以及控制策略等因素。通过合理选择电感、电容等元件的参数，以及优化控制策略，可以实现高效的功率因数校正和稳定的电压输出。

5. 高频变压器设计

高频变压器是AC/DC数字电源中的关键组件，其性能直接影响电源的效率和稳定性。在设计时，需要考虑磁芯材料、绕组匝数、绝缘性能等因素。磁芯材料应具有高磁导率、低损耗等特点，以提高变压器的效率。绕组匝数的计算需要考虑输入输出电压比、电流承载能力等因素，确保变压器能够正常工作。同时，还需要考虑变压器的绝缘性能，以确保输入与输出之间的电气隔离。

6. DC/DC控制器设计

DC/DC控制器负责控制DC/DC功率级的工作，实现电压的降压变换和稳定输出。在本方案中，同样采用STM32F334C8作为DC/DC控制器，通过ADC采样输出电压和电流，根据预设的算法计算控制信号，通过PWM输出控制MDmesh DM2功率MOSFET的导通和关断。在设计时，需要考虑控制算法的精度和响应速度，以确保DC/DC控制器的性能满足要求。

7. DC/DC功率级设计

DC/DC功率级由基于MDmesh DM2功率MOSFET的相移全桥转换器组成。在设计时，需要考虑全桥转换器的电路拓扑、元件参数以及控制策略等因素。通过合理选择电感、电容等元件的参数，以及优化控制策略，可以实现高效的电压变换和稳定的输出。

8. 输出滤波器设计

输出滤波器的主要作用是滤除输出直流电中的纹波和噪声，提高输出电压的稳定性。在设计时，需要考虑滤波器的截止频率、插入损耗等参数。通常，输出滤波器由电感、电容等元件组成，形成LC滤波器或π型滤波器。在本方案中，根据具体的设计要求选择合适的滤波器类型和元件参数，以确保滤波器的性能满足要求。

9. 保护电路设计

保护电路是AC/DC数字电源的重要组成部分，其性能直接影响电源的安全性和可靠性。在设计时，需要考虑保护电路的响应速度、保护阈值等参数。保护电路可以包括过压保护、过流保护、欠压保护等多种功能。当电源出现异常情况时，保护电路能够及时触发保护功能，确保电源和负载的安全。

六、性能指标

本方案设计的2KW AC/DC数字电源具有以下性能指标：

• 输入交流电压范围：90V至264V

• 输出电压：48V或52V（可选）

• 最大输出电流：42A

• 输入交流频率：45Hz至65Hz

• 标称输出功率：2kW

• 交错式PFC拓扑：PFC开关频率60kHz，PFC最大功率因子0.99

• DC-DC级：具有同步整流的全桥相移ZVS DC-DC开关频率100kHz

• 高频变压器隔离电压：4kV

• 整体效率：80PLUS白金级

• 保护功能：过热保护、输出短路保护等

七、总结

本方案详细介绍了一种基于STM32F334C8的2KW AC/DC数字电源设计，包括优选元器件型号、器件作用、选择理由、元器件功能以及在方案中的电路框图。通过合理选择和设计各个组件，实现了高效的电压转换和稳定的输出。该电源具有宽输入电压范围、高功率因数、高效率以及丰富的保护功能等特点，能够满足各种电子设备对电源的需求。