中心議題：

• 保護電路工作原理分析
• 保護電路調試與實現

解決方案：

• 開關電源采用負溫度系數電阻組成的軟啟動保護電路
• 開關電源脈寬調制器采用脈寬調制器T L494
• 利用LM339 電壓比較器實現的掉電保護

精密機床數控系統(tǒng)由CNC 控制器、內置PLC 控制器、開關電源電路、CRT 顯示器、輸入輸出接口、光電編碼器等設備組成。而開關電源電路負責為整個機床數控系統(tǒng)各部分設備提供電源。在機床加工車間等場所，因有較多大功率用電設備，在這種復雜電磁環(huán)境下， 如果開關電源可靠性不高、保護功能缺乏， 會使得數控機床系統(tǒng)工作異常，很容易出現飛車等重大事故。      

因此，具有各種保護功能的高可靠性開關電源是數控機床系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保證。本文主要介紹了一種機床數控系統(tǒng)用開關電源各種保護電路的工作原理和實現方法，通過實際研制， 使得該系統(tǒng)開關電源穩(wěn)定性大大提高， 保護功能穩(wěn)定可靠， 滿足了批量生產要求?！　?br />
1 保護電路工作原理分析　　

機床數控用開關電源包含有軟啟動保護、過壓保護、過流保護、欠壓掉電保護等電路。　　

（1） 軟啟動電路　　

由于開關電源輸入整流電路后級大多采用電容性濾波電路濾波， 在電源合閘瞬間， 往往會產生電流幅值高達幾十甚至幾百安培的浪涌電流，此種浪涌電流十分有害，會造成開關電源啟動故障甚至損壞。常用的軟啟動電路有可控硅和限流電阻組成的防浪涌軟啟動保護、繼電器觸點組成的軟啟動保護、負溫度系數電阻組成的軟啟動保護電路等?！　?br />
本系統(tǒng)開關電源采用負溫度系數電阻組成的軟啟動保護電路， 簡單實用， 工作可靠。如圖1, 220 V 交流電經線圈L1濾波共模干擾后， 整流產生約三百伏左右直流電壓， RT 電阻為負溫度系數熱敏電阻，型號為M02-7Ω。當電源合閘瞬間， 浪涌電流使得熱敏電阻發(fā)熱， 阻值迅速減小， 輸出直流電壓逐漸建立，可有效防止浪涌電流對電源電路的沖擊， 使得整個電源半橋變換電路穩(wěn)定可靠。
 

圖1 負溫度系數電阻組成的輸入軟啟動電路　　

在開關電源啟動時， 由于脈寬調制器尚未建立穩(wěn)定的驅動脈沖， 需采取措施使得驅動脈沖逐漸建立起來，該開關電源脈寬調制器采用性價比較高的脈寬調制器T L494。如圖2, TL494 的第四腳為死區(qū)控制，它既可以為變換功率管提供安全的死區(qū)時間控制， 也可以作為驅動芯片的軟啟動控制。開機瞬間， 電容器C1上未建立電壓， + 5 V 通過電容C1 送TL494: 4 腳， 封鎖脈寬調制器的輸出脈沖。隨著電容C1 兩端電壓逐漸升高， T L494: 4 腳電壓逐漸下降， 驅動脈沖寬度逐漸展寬。當輔助電源+ 15 V 出現故障時， 三級管V1迅速導通， + 5 V 電壓經三極管V1 送T L494: 4 腳， 切斷驅動脈沖， 使開關電源停止工作而不致損壞。
 

圖2 利用TL494:4 腳進行驅動軟啟動及電源保護　　

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（2） 過壓保護電路　　

通常的數字信號處理電路大多采用TT L 或CMOS 系列的集成門電路。對于TTL 集成門電路，往往工作電壓不能大于5. 5 V。該數控系統(tǒng)開關電源輸出有多路， 有+ 5 V, + 15 V, - 15 V, + 24 V 等多路輸出， 在開關電源系統(tǒng)中，對主變換電壓+ 5 V 進行過壓保護， 具體電路見圖3。
 

圖3 數控開關電源過壓保護電路　　

工作原理： 數控開關電源由輔助電源+ 15 V 提供給可控硅V4管陽極工作電壓， 實際輸出取樣電壓送至穩(wěn)壓管V5 , 當超出保護電壓閾值+ 5. 5 V 時， 輸出電壓經穩(wěn)壓管、電阻R3 、R4 分壓觸發(fā)可控硅V4 導通， 將輔助電源+ 15 V 通過電阻R1接地， 同時通過二極管V2切斷8 腳電源。調節(jié)RP 電位器， 可以對輸出電壓保護閾值點進行設置?！　?br />
（3） 過流保護電路　　

本開關電源過流保護電路的工作原理見圖4。變壓器T 1原邊串接在開關電源主變壓器原邊回路中， 通過實驗選擇合理的變壓器原副邊匝數比，感應開關電源變換時的原邊電流值， 經二極管V1 ~ V4 整流， R1、C1 濾波后送電位器RP。原邊電流越大，電流取樣變壓器整流出的電壓越大， 電位器RP 中心點電壓越低，TL494: 2 腳電壓隨之下降， 使得TL494: 3 腳電壓升高，送入脈寬調制器， 將T L494 驅動脈沖寬度逐漸減少， 從而得到過流保護的目的。圖中電容C4、C5、R10為TL494 誤差放大器的反饋元件， 使得放大電路穩(wěn)定可靠。
 

圖4 數控開關電源過流保護電路電路圖　　

（4） 欠壓保護電路　　

利用+ 5 V 及PF （ Power FAIL） 信號進行比較， 在+ 5 V 掉電時， PF 信號至少需維持10 ms 時間，以便存儲相關信息。欠壓保護電路如圖5 所示。
 

（a） 利用LM339 電壓比較器實現的掉電保護

（b） 上電時序及掉電保護時序圖
圖5 數控開關電源的欠壓保護電路

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2 保護電路調試與實現　　

（1） 軟啟動電路調試　　

熱敏電阻軟啟動電路， 可用電烙鐵對負溫度系數熱敏電阻貼近進行烘烤， 用萬用表測量其電阻值變化，同時計時并估算其電阻變化率，進行初步檢驗。將不同阻值的熱敏電阻分別裝入電路， 用示波器高壓探頭測試開機時整流電路輸出的高壓波形， 比較其電壓建立時間，從而選擇合適的負溫度系數熱敏電阻?！　?br />
（2） 過壓保護電路調試　　

過壓保護電路中的可控硅觸發(fā)電路要求： 1） 觸發(fā)時要求能供出足夠的觸發(fā)電壓和電流。2） 不觸發(fā)時， 觸發(fā)端電壓應小于0. 15 V ~ 0. 2 V, 為防止誤觸發(fā)， 一般宜加1~ 2 V 的負偏壓。3） 觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡， 最好在10us 以下，使觸發(fā)電壓準確。4） 觸發(fā)脈沖必須有足夠的寬度， 因可控硅的開通時間一般在6us 以下， 故脈沖寬度應大于6us, 最好有20us~ 50us。　　

過壓保護電路調試： 將輸出電壓逐漸調至5. 5 V,用萬用表測試可控硅的觸發(fā)極電壓， 同時用示波器觀察驅動芯片TL494: 8 腳、11 腳波形， 調節(jié)過壓保護多圈電位器RP, 直到保護電路動作， 驅動波形消失為止， 此時保持多圈電位器RP 旋鈕位置不變。逐漸調低輸出電壓， 保護電路因可控硅不觸發(fā)而不動作。如再調高輸出電壓至5. 5 V, 保護電路將動作， 反復試驗，直至保護電路工作穩(wěn)定可靠?！　?br />
（3） 過流保護電路調試　　

過流保護電路選擇高頻鐵氧體磁芯EE12, 原邊電感量為0. 013 mH, 副邊電感量為0. 74 mH 。該開關電源+ 5 V 最大輸出電流為25 A, 截取直徑為 1. 2mm 的漆包線一段， 量取其電阻值為0. 2Ω , 將此模擬負載接在電路中，測量過流整流輸出電壓Ui, 調整過流保護多圈電位器， 電路在Ui= - 0. 57 V 時開始保護。改變輸出模擬負載，反復調試過流保護電路參數，直到過流保護電路穩(wěn)定可靠?！　?br />
3 結論　　

本文通過對數控開關電源保護電路的工作原理分析及調試， 提出了一種軟啟動保護、過壓過流保護的具體實用電路，最終合理設定了各保護電路的工作參數，使得數控系統(tǒng)開關電源的保護功能穩(wěn)定可靠， 整機性能得到了提升， 為數控系統(tǒng)的批量生產奠定了基礎。