開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1、電子設(shè)計競賽論文 開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計 組員： 指導(dǎo)老師： 摘 要：本系統(tǒng)以 boost 升壓斬波電路為主電路，采用 tl494 作為開關(guān)穩(wěn)壓電 源的核心控制芯片，并加入反接保護、輸入過壓欠壓保護、輸出過流保護、輸 出電壓反饋、輸出電壓顯示等輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)輸出電壓 3036v 可調(diào)，最大輸 出電流 2a 的功能。 關(guān)鍵詞：boost tl494 開關(guān)電源 msp430f149 單片機 目目 錄錄 1 1 緒緒論論.2 2 2 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計 .2 2.1 dc-dc 主回路拓撲.3 2.2 控制方法及實現(xiàn)方案.3 2.3 系統(tǒng)總體框圖.3 2.4 提高效率的方法及實現(xiàn)

2、方案.4 3 3 電路設(shè)計與參數(shù)確定電路設(shè)計與參數(shù)確定 .4 3.1 boost升壓子系統(tǒng)的設(shè)計 .4 3.2 重要元器件參數(shù)的選擇.5 3.3 輸入欠壓過壓保護.5 3.4 tl494 控制電路的設(shè)計.6 4 4 測試與分析測試與分析 .7 4.1 測試環(huán)境及儀器.7 4.2 測試結(jié)果.7 4.3 測試結(jié)果與要求比較分析.8 5 5 結(jié)論結(jié)論 .9 參考文獻參考文獻 .9 附附錄錄.9 1 緒 論 開關(guān)穩(wěn)壓電源簡稱開關(guān)電源（switching power supply） ，通過控制開關(guān)管 的導(dǎo)通比來維持輸出電壓的穩(wěn)定，體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源 的 2030%） 、效率高（一般為

3、 6070%，而線性電源只有 3040%） 、自身抗干 擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化。功耗低、紋波小、噪音低、易擴容等特點， 使得開關(guān)電源具有高的穩(wěn)定性和性價比，在儀器、儀表、工業(yè)自動化等領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1 dc-dc 主回路拓撲 方案一：隔離型的開關(guān)電源中高頻變換器的基本形式有五種：單端正激式、 單端反激式、半橋式、全橋式和推挽式。其中單端正激式和單端反激式結(jié)構(gòu)簡 單、易于實現(xiàn)，半橋式、全橋式和推挽式電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜對驅(qū)動電路要求較高、 輸出功率較大。 方案二：非隔離型 dc-dc 變換器沒有開關(guān)變壓器，采用 boost 降壓變換器 可以實現(xiàn)將直流電壓升高，簡圖如

4、圖 2-1 所示。 第二種方案的電路簡潔易于實現(xiàn)，而且性價比也比第一種方案好，故選非 隔離型 boost dc-dc 變換器作為主電路。 2.2 控制方法及實現(xiàn)方案 方案一：用 pwm 準用芯片產(chǎn)生 pwm 控制信號。此防范較易實現(xiàn)，而且工作 穩(wěn)定，不易實現(xiàn)輸出電壓鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整。 方案二：用單片機產(chǎn)生 pwm 控制信號。單片機根據(jù)取樣電路的反饋對 pwm 信號做出調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。但這種方案很不穩(wěn)定，實現(xiàn)難以。 綜合考慮我們選擇方案一。 2.3 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體框圖如圖 2-1 所示。 e l c uorl vd 圖 2-1 boost 升壓斬波電路拓撲結(jié)構(gòu) 2.4 提高效率的方

5、法及實現(xiàn)方案 boostboost 升壓斬波電路中開關(guān)管的選取升壓斬波電路中開關(guān)管的選?。弘娏w管（gtr）耐壓高、工作頻 率較低、開關(guān)損耗大；電力場效應(yīng)管（power mosfet）開關(guān)損耗小、工作頻率 較高。從工作頻率和降低損耗的角度考慮，選擇電力場效應(yīng)管作為開關(guān)管。 選擇合適的開關(guān)工作頻率：選擇合適的開關(guān)工作頻率：為降低開關(guān)損耗，應(yīng)盡量降低工作頻率；為避 免產(chǎn)生噪聲，工作頻率不應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后，我們把開關(guān)頻率設(shè)定為 20khz。 boostboost 升壓電路中二極管的選取升壓電路中二極管的選?。洪_關(guān)電源對于二極管的開關(guān)速度要求較高， 可從快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管中加以選擇。

6、與快速恢復(fù)二極管相比，肖 特基二極管具有正向壓降很小、恢復(fù)時間更短的優(yōu)點，但反向耐壓較低，多用 于低壓場合。考慮到降低損耗和低壓應(yīng)用的實際，選擇肖特基二極管。 3 電路設(shè)計與參數(shù)確定 3.1 boost 升壓子系統(tǒng)的設(shè)計 這里我們在常見的 boost 升壓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上外加反接保護、過壓欠壓保 護構(gòu)成，達到使系統(tǒng)更加安全可靠地目的，輸出濾波部分加多級電容使輸出文 波更小， 反接保護功能由二極管和保險絲實現(xiàn)，電路如圖 3-1 。 隔離 變壓器 整流 濾波 boost 升壓電路 輸出 濾波 acacdcdcdc 負載 反饋電路 電壓采用 tl494 控制芯片 保護電路 430 單片 機lcd 顯示

7、 過壓欠壓 保護 圖 2-2 系統(tǒng)總體框圖 圖 3-1 輸入反接保護模塊原理圖 boost 升壓的 dc-dc 拓撲結(jié)構(gòu)如圖 3-2 所示。 圖 3-2 boost 升壓模塊原理圖 3.2 重要元器件參數(shù)的選擇 開關(guān)管的選擇：開關(guān)管的選擇：選擇導(dǎo)通電阻小的 irf540 作為開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻僅為 77m（vgs=10v, id=17a）。irf540 擊穿電壓 vdss為 55v ，漏極電流最大值為 28a（vgs =10 v， 25c），允許最大管耗 pcm可達 50w，完全滿足電路要求。 肖特基二極管的選擇：肖特基二極管的選擇：選擇 esad85m-009 型肖特基二極管，其導(dǎo)通壓降小，

8、 通過 1 a 電流時僅為 0.35v，并且恢復(fù)時間短。實際使用時為降低導(dǎo)通壓降將 兩個肖特基二極管并聯(lián)。 電感參數(shù)的計算：電感參數(shù)的計算： （3-1） 2 2 oo inoin b fumi uuu l 其中，m 是脈動電流與平均電流之比取為 0.25，開關(guān)頻率 f=25 khz,輸出電壓 為 36v 時，lb=527.48h，取 530h。 電感線徑的計算：最大電流 il為 2.5a，電流密度 j 取 4 a/mm2，線徑為 d, 則由得 d=0.892 mm,工作頻率為 25khz,需考慮趨膚效應(yīng)，制作 l i d j 2 2 *）（ 中采取多線并繞方式，既不過流使用，又避免了趨膚效應(yīng)導(dǎo)

9、致漆包線有效面積 的減小。 電容的參數(shù)計算：電容的參數(shù)計算： （3-2） oo inoo b ufu uui c 其中，uo為負載電壓變化量，取 20 mv,f=25khz,uo=36v 時,cb=1465f, 取為 2000f，實際電路中用多只電容并聯(lián)實現(xiàn)，減小電容的串聯(lián)等效電阻 （esr） ，起到減小輸出電壓紋波的作用，更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓。 3.3 輸入欠壓過壓保護 輸入的 15v21v 交流電經(jīng)整流濾波后電壓為 18v27v，當(dāng)輸入 18vinv,vv,2 腳出高電平，1 腳輸出低電平，通過與非門后為低， 3265 電路正常工作；當(dāng)輸入 vin27v 時，與非門輸出高電平，繼電器斷 開，是電

10、路達到保護作用。如圖 3-3 所示。 圖 3-3 輸入欠壓過壓模塊原理圖 3.4 tl494 控制電路的設(shè)計 tl494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功 能，泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。tl494 有 so-16 和 pdip-16 兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求。這里我們選擇單端工作方式， 由于 tl494 內(nèi)部集成多個運放，所以本系統(tǒng)將過流保護和電壓反饋都集成在 tl494 里面，充分利用他的功能實現(xiàn)整個電路的過流恢復(fù)和輸出電壓穩(wěn)定的功 能。 我們把 1 腳和 2 腳的運放用作電壓反饋的輸入端口，當(dāng)輸入電壓增加時，1 腳的采樣電壓增大，

11、運放的正向輸入端電壓高于反向輸入端，經(jīng)過內(nèi)部運放， 或非門后使占空比減小，輸出電壓減小，從而使輸出穩(wěn)定。 將 15 腳和 16 腳的運放用作過流保護的輸入端口，輸出電流增加時（大于 2a） ，運放的正向輸入電壓高于反向輸入電壓，最終使占空比減小，減小了輸出 電壓，從而電流減小，達到過流恢復(fù)的功能。連接圖如 3-4 所示。 1in+ 1 1in- 2 pwm 3 dt c 4 ct 5 rt 6 gnd 7 c1 8 e1 9 e2 10 c2 11 v cc 12 oc 13 v ref 14 2in- 15 2in+ 16 t l494+c1 10u r1 10kc2 332 r3 10k

12、v cc ri 1 1in 2 gnd 3 2in 4 out 2 5 v cc 6 out 1 7 ro 8 t ps2812 r4 10k pwm v cc r6 4.7k r5 200 r7 0.1 r8 4.7k v f r9 4.7k + c? 470u d? diode 1 2 r 1m r 33k c 103 v cc pwm 圖 3-4 tl494 模塊原理圖 tl494 還有一個比較獨特的功能，他可以實現(xiàn)輸出電壓由低到高慢慢建立， 實現(xiàn)軟啟動，上電時，c1 充電需要一定時間，死區(qū)電壓由高逐漸變低，q1 管 的導(dǎo)通時間逐漸增大，輸出電壓逐漸升高。 3.5 輸出電壓顯示 我們使用

13、 msp430 單片機內(nèi)自帶的 12 位 adc,將輸出電壓采樣顯示,充分利用 片內(nèi)資源,節(jié)約硬件的使用,使本系統(tǒng)更加完善。 4 測試與分析 4.1 測試環(huán)境及儀器 在室溫下進行測量，所用儀器如下： 表 4-1 測量工具 編號名稱型號 1 數(shù)字萬用表 dt9508 2 數(shù)字存儲示波器 utd2000 4.2 測試結(jié)果 電壓調(diào)整率測試電壓調(diào)整率測試 測試方法：在 i =1a 時，通過調(diào)整變壓器改變 u ，測量 u ,表 4-1 所示。 020 表 4-1 測量結(jié)果 u /v 219.618.016.015.0 u /v 029.029.128.728.4 由以上測試結(jié)果可以計算出，系統(tǒng)的電壓調(diào)整

14、率達到 1.15%，滿足題目要求。 負載調(diào)整率測試負載調(diào)整率測試 測試方法：在 u =19.2v 時，改變負載大小，測量 u 的值，表 4-2 所示 20 表 4-2 測量結(jié)果 i /a 0 0.110.300.410.500.650.730.850.931.27 u /v 030.330.330.130.029.629.629.329.228.9 由以上測試結(jié)果可以計算出，系統(tǒng)的負載調(diào)整率達到 1.82%，滿足題目要求。 效率測試效率測試 測試方法: u =19.2v, u =30.0v 時，測試輸入電壓電流，輸出電壓電流得 20 到，表 4-3 所示。 表 4-3 測量結(jié)果 輸入電壓 u

15、/v i 輸入電流 i /a i 輸出電壓u /v 0 輸出電流i /a 0 效 率/% 22.70.2730.50.1679.62 22.20.3630.40.2179.88 22.00.4730.20.2778.86 21.40.5128.60.3489.10 20.10.9628.50.4972.37 去掉最高與最低測量值，計算得效率平均值為 79.40%。 輸出噪聲文波測試輸出噪聲文波測試 測試方法：將電源的輸出端連接到 60mhz 模擬示波器（ac 耦合，掃描速度 20ms/div），在 u =18v、u =32v、i =1a 時觀察波形圖像，并記錄文波電壓峰 200 -峰值等于 1

16、00mv，符合題目設(shè)計要求。 4.3 測試結(jié)果與要求比較分析 測試數(shù)據(jù)與設(shè)計指標的比較,如表 4-4 所示。 表 4-4 結(jié)果比較 測試項目基本要求發(fā)揮要求電路測試結(jié)果 輸出電壓可調(diào)范圍30v-36v實現(xiàn) 最大輸出電流2a未測試 電壓調(diào)整率 20.2% 實現(xiàn)（1.15%） 負載調(diào)整率 50.5% 實現(xiàn)（1.82%） 輸出噪聲電壓峰峰值 1vpp 實現(xiàn) dc-dc 變換器效率 70%85% 實現(xiàn)（79.40%） 過流保護 動作電流 2.50.2a 故障排除后自動恢復(fù)實現(xiàn) 產(chǎn)生偏差的原因：產(chǎn)生偏差的原因：對效率等進行理論分析和計算時，采用的是器件參數(shù)的 典型值，但實際器件的參數(shù)具有明顯的離散性，電

17、路性能很可能因此無法達到 理論分析值。 電路的制作工藝并非理想的，會增加電路中的損耗。 改進方法改進方法: :使用性能更好的器件，如換用導(dǎo)通電阻更小的電力 mos 管，采用 低阻電；使用軟開關(guān)技術(shù)，進一步減小電力 mos 管的開關(guān)損耗；采用同步式開 關(guān)電源的方案，用電力 mos 管代替肖特基二極管以減小損耗；優(yōu)化軟件控制算 法，進一步減小電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率。 5 結(jié)論 開關(guān)電源在我們的生活中都有用到，而我們學(xué)的還是他的很淺的一部分， 我們的基礎(chǔ)知識有限，對它的參數(shù)，算法有很多不懂的地方。所以好多問題都 要問學(xué)長，我們當(dāng)然也得到了他們的幫助，可我們的基礎(chǔ)知識還是要努力學(xué)習(xí)， 雖然還從在好多問

18、題，但我相信，在我們共同的努力下，我們一定會做得更好， 希望得到老師，同學(xué)們的大力支持。 我們是初學(xué)者，雖然現(xiàn)在時間緊，但我們還是在努力著。希望給老師一個 滿意的答復(fù)，可還是基礎(chǔ)知識的欠缺，最終導(dǎo)致好多問題的出現(xiàn)。通過這次的 作品制作，我們深深感到基礎(chǔ)知識對我們的重要性，還有的就是堅持與毅力是 我們必須有的，相信在以后的學(xué)習(xí)中我們會走得更好！ 參考文獻 1 康光華.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社m.2006.1 2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社m.2006.1 3 張肖子等.電子設(shè)計指南.高等教育出版社m.2006.1 4 周志敏等.開關(guān)電源實用技術(shù).人民郵電出版社m.2007.8 5 張華林等.電子設(shè)計競賽實訓(xùn)教程.北京航空航天大學(xué)出版社m.2007.7 附錄 電路原理圖 t trans1 l1 inductor l2 inductor c1 0.47u/250v c2 0.1u/250v vin 1 2 3 4 d bridge1 +c3 470u +c4 470u c5 103 c7 103 c6 103 c8 103 1 2 3 j1 con3 1 2 j2 con2 f? 3a r ntc 5d-7 r1 res2 d2 led d1 led r6 10k +c1 capacitor pol