全國電子設(shè)計大賽論文-電源設(shè)計

1、全國電子設(shè)計大賽論文-電源設(shè) 計作者:日期:方案論證1系統(tǒng)總體設(shè)計方案根據(jù)題目要求，總體設(shè)計方案如下：將交流電 220V送進隔離變壓器，一級 輸出18V交流電。通過整流濾波，將交流電轉(zhuǎn)為直流電，進行DC-DC升壓和降壓。副DC-DC實現(xiàn)的降壓值為5V，用于給單片機控制系統(tǒng)供電。 通過鍵盤可以 對主DC-DC升壓的輸出電壓進行設(shè)定和步進調(diào)整，并由 AD對輸出進行采樣， 通過在單片機內(nèi)預(yù)置的算法對輸出進行補償調(diào)整，同時從液晶屏上數(shù)字顯示出電流和電壓值。當開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電流達到上限時，啟動過流保護；當故障排除后，開關(guān)電源恢復正常工作。系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示。開關(guān)穩(wěn)壓電流交流電220V隔離變壓器

2、整流濾波J主DC-DC升壓副DC-DC降壓供電.補償：j 控制器-I-樣<過流保護鍵盤設(shè)定液晶顯示圖1.1系統(tǒng)總體框圖2主DC-DC升壓電路設(shè)計方案DC - DC升壓電路采用自舉式升壓方式，如圖1.2所示，當晶體管導通時，電感與電源接地端直接相連，形成回路。隨著能量存儲到電感的磁場中，流過電感的電流斜線上升，磁力線增強當晶體管截止時，磁場開始消失。隨著它的減弱，會切割電感的導線，產(chǎn)生 一個電壓。由于磁場的運動方向與磁場建立時的方向相反，所以感應(yīng)電壓反向。 從而實現(xiàn)升壓的過程。晶體管截止時電流方向I in = I L。匚IinCoutU 0f 2晶體管導通時電感充電-V-圖1.2 自舉式主

3、DC-DC回路拓撲圖3控制方法及實現(xiàn)方案對主DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的控制方法采用硬件閉環(huán)控制為主、軟件補償和測量相結(jié)合的方法對DC-DC的輸出進行精確控制。硬件控制采用國家半導體公司的 LM2587-ADJ開關(guān)電源控制芯片組成對輸出主回路的電壓閉環(huán)控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)的粗調(diào)。軟件控制選用STC12C5412AD單片機作為系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)的顯示、按 鍵、A/D、D/A全部集中在核心控制板上，通過預(yù)置算法實現(xiàn)對系統(tǒng)的精調(diào)。4提高效率的方法及實現(xiàn)方案1降低二極管的損耗：二極管一般需要 0.7V的導通電壓降。在輸出電壓為 21.6V時，二極管要消耗一定的輸出功率。而肖特基二極管的導通壓降一般為 0.2V0.

4、3V，因此使用這類二極管這能夠有效降低其上的功率損耗。2降低開關(guān)管的損耗：如果將開關(guān)管設(shè)計在外圍電路中，極易由于設(shè)計參數(shù) 的問題導致開關(guān)管部分時間工作在線性區(qū)，會引起一定損耗。在設(shè)計中，選用 LM2587，它將開關(guān)管集成到芯片內(nèi)部，參數(shù)由廠家整定，可以大大減少功耗。3減少銅損：銅損是由導線的寄生電阻和電感線圈引起的。實際設(shè)計中，選 用橫截面積大的銅絲，并采取多股纏繞的方法，減少單位橫截面積電阻。4.減少鐵損：引起鐵損的原因有兩個 磁滯損耗和渦流損耗。在實際操作 中，米用EI型電感磁芯，并在連接處留有一定空隙。由于存在空氣間隙，使之 不易產(chǎn)生磁滯和渦流。二：電路設(shè)計與參數(shù)計算1主回路器件的選擇及

5、參數(shù)計算題目中要求：18V交流輸入時，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入電壓為21.6V（理論計算得出）， 負載端電壓為30V36V。最大輸出電流lomax為2A，主DC-DC升壓變換器效率 n>70%（發(fā)揮部分要求達到 n>85%）。據(jù)此，在主DC-DC升壓回路中主要用來 實現(xiàn)DC-DC變換器的器件為 LM2587-ADJ。LM2587-ADJ內(nèi)部有一個100kHz 的振蕩器，內(nèi)部開關(guān)電流額定值5A，負載電壓 Vload<65V，輸入電壓需保持在4V40V，變換器效率90%，理論上完全滿足設(shè)計需求。主DC-DC回路電路圖如圖2.1所示，通過改變R2和R3的比值即可設(shè)定所需 負載電壓值。圖2.1主

6、回路原理圖將反饋電壓與內(nèi)部參考電壓1.23V進行比較:(2-1)Vload=1.23V（1+R1）R3已知1k Q <R3 <5 kQ例如選取R2=115kQ, R3的值根據(jù)Vioad的設(shè)定選取Roa(負載功率)Maldoad(2-2)Poa亍09Psup iy輸入功率）(2-3)Psupply = Vin I in (Vin輸入電壓，lin輸入電流）(2-4)對電感L來說，選擇.：i =0.25l in(2-5).divL = L -dt(2-6)心tL = vL .：i(2-7)開關(guān)的占空比為D = 1 一 VinVl o a d(2-8)開關(guān)導通時間t =DT （T為電感的工

7、作周期，常值10蟲）通過公式計算得到 按照設(shè)計要求，在L的范圍：78卩H93卩HoLM2587前級需加兩個輸入電容。在開關(guān)導通時，較大的Ci給開關(guān)提供電荷。它應(yīng)該盡量大些，能夠在100kHz的內(nèi)部振蕩器條件下工作, 并提供LM2587要求的電流。電容C2應(yīng)該是一個相對小一些的陶瓷電容。這種 類型的電容比電解電容 Ci快得多，使它可以響應(yīng)開始導通的瞬變過程。圖2.2軟件補償控制電路2、控制電路設(shè)計與參數(shù)計算硬件控制電路如圖 2.1所示。LM2587 的2引腳為反饋端，通過兩個電阻分壓產(chǎn)生 一個電平同內(nèi)部基準比較從而對輸出進行 調(diào)整，為了方便引入軟件的補償控制作用， 增加了如圖2.2所示的控制電路

8、，通過 D/A 輸出改變芯片反饋點電壓，從而可以在要求 范圍內(nèi)設(shè)定輸出電壓值，并對其進行調(diào)整補R2和R3的阻值選取決定了軟件輸出補償?shù)纳舷拗?，這個值由公式（2-1 ）可求得。D/A設(shè)定的零點由二極管導通壓降決定。二極管選用反向漏電流較小的 1N4148，R2 R3根據(jù)題目要求計算。設(shè)定滿值輸出電壓為 44V，系統(tǒng)可以在30 36V之間自由調(diào)整，根據(jù)LM2587設(shè)計文檔R3要求取值1 kQ 5 k Q，選取2.4 k Q，可以求得R2為84 kQ。控制程序流圖如圖2.3所示。3、效率的分析及計算從系統(tǒng)總體分析，整流后輸出功率損耗分布在 兩個部分，一個是DC-DC升壓主回路，另一個是 單片機等控制

9、顯示電路部分。根據(jù)LM2587的技術(shù) 文檔，此類升壓電路的效率應(yīng)該可以做到90%以上。從本系統(tǒng)分析，第二部分本身的功率損耗比較 小，留足余量按照100mA的通過電流5V供電電壓 計算，這部分功耗只有 0.5W，占總功率72W的 0.69%，這是完全可以承受的。但是由于前級輸入 電壓為21.6V若采用線性電源，如L7805等電壓芯 片，那么在其上的功耗便有（21.6V-5V） X 0.1A=1.66W，加上原有功耗，那么在這部分消耗的 功率將達到總功率的3%,這個會極大的降低電源 的性能。因而這部分供電采用 DC-DC模式降壓輸 出，控制芯片使用 MC34063,效率可以達到89%。這樣計算出的

10、功耗為0.56W對于DC-DC升壓部分，二極管的損耗，由于二極管并非一直導通，而且設(shè) 計中使用了低壓降的肖基特二極管代替了普通的快恢復二極管，因而其功耗上限值為0.3V X 2A=0.6W。開關(guān)管集成在圖2.3軟件流圖LM2587內(nèi)部，按照3W的損耗計算。銅損、鐵損的損耗需要根據(jù)實際使用的磁 芯及布線的寄生電阻而定，初步估算為3W。這樣根據(jù)上述分析計算系統(tǒng)功耗（0.5W+0.56W+3W+3W）/72W=9.94%，并結(jié) 合芯片的技術(shù)文檔分析本系統(tǒng)的效率應(yīng)當可以達到90%。4、保護電路設(shè)計與參數(shù)計算保護電路采用單片機控制完成，首先由 A/D采樣錳銅絲采樣電阻端，獲得 采樣數(shù)據(jù)后進入單片機內(nèi)部進

11、行數(shù)據(jù)處理， 并判斷是否通過電流達到過流保護的 動作閾值。如果達到動作閾值后，單片機首先控制繼電器關(guān)斷輸出回路，然后控 制系統(tǒng)發(fā)出試探電流，檢測負載端故障是否解除，如果解除，貝恢復供電，否則 繼續(xù)過流保護。5、數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計按鍵使用4X 4矩陣鍵盤及A/D掃描按鍵（互為備份），獲得按鍵鍵值后， 采用D/A給定的方法輸出，電路原理圖如圖 2.2所示。顯示器采用點陣為128X 64的液晶，將設(shè)定的電壓值、測量的電壓值和電流值等信息分別顯示出來。:測試方法與數(shù)據(jù)1、測試方法:1.1輸出電壓可調(diào)范圍：在系統(tǒng)電壓輸出端子外接并聯(lián)數(shù)字萬用表。 用滑動變阻器滑動到不同阻值的條件下，通過鍵盤給定輸出

12、值，并測量通過調(diào)節(jié)是否能夠達到要求的電壓輸出范 圍。1. 2最大輸出電流：在系統(tǒng)電壓輸出端子外接串聯(lián)數(shù)字萬用表。利用滑動變阻器減小電阻，測試電流是否能夠達到要求值。1. 3電壓調(diào)整率測試：利用自藕調(diào)壓器，使輸入交流15V21V變化，調(diào)節(jié)滑動變阻器使lo=2A，輸 出端端子并聯(lián)數(shù)字萬用表測量直流電壓的變化率。1. 4負載調(diào)整率測試：在U2=18V時，利用滑動變阻器，使負載在一定范圍內(nèi)變化，輸出端之并聯(lián) 數(shù)字萬用表測量直流電壓相對于原來的變化率。1. 5輸出噪聲紋波電壓檢測：使系統(tǒng)工作在U2=18V,Uo=36V,lo=2A狀態(tài)，在輸出端子上并接數(shù)字示波器， 調(diào)節(jié)達到合適檔位，測量輸出噪聲紋波電壓

13、。1. 6DC-D（變換效率測試：在U2=18V,Uo=36V,lo=2A的條件下，在DC-D輸入端串進一塊數(shù)字萬用表測 量電流、并用另一塊電壓表測試輸入電壓。 負載端做同樣的測試測試負載兩端電 壓及負載電流。通過公式P =UI計算DC-D（輸入輸出的功率，兩者相比即可求得實 際電路的效率。1. 7過載保護時動作電流的測試：在負載回路串聯(lián)一塊電流表，通過滑動變阻器調(diào)節(jié)負載電流，當電流表顯示 進去動作區(qū)時，記錄設(shè)備是否正常進行過流保護。1. 8液晶顯示測試：通過觀察液晶顯示器上的數(shù)據(jù)顯示， 并結(jié)合萬用表的測量結(jié)果，判斷液晶顯 示器能否正常工作。2、測試儀器：電路測試中使用的儀器設(shè)備及其用途如表

14、1所示。表3.1電源部分測試實用的儀器設(shè)備序號儀器名稱及型號用途1MS805C五位半數(shù)字多用表對A/D、D/A等進行校正2DS- 5120M 100MHz示波器測量電源噪聲紋波電壓3自藕調(diào)壓器用于電壓調(diào)整率測試5滑線變阻器作可變負載3、測試數(shù)據(jù)：電路主要測試數(shù)據(jù)如表3.2,詳細測試數(shù)據(jù)見附錄。序號測試項目測試結(jié)果1輸出電壓范圍最大范圍22V44V，30V36V可調(diào)2最大輸出電流3.4A （過流保護斷開）3電壓調(diào)整率0.1%4負載調(diào)整率0.1%5輸出噪聲紋波測量370mV6DC-DC變換效率88.5 %7過載保護測試能夠在要求范圍內(nèi)正常動作8顯示設(shè)定及附加功能能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能四：測試結(jié)果分析結(jié)合任務(wù)設(shè)計指標及主要指標的測試數(shù)據(jù)， 設(shè)備的各項指標達到了基本部分 的設(shè)計要求，同時達到了發(fā)揮部分的所有要求，而且在附加的簡單語音及設(shè)備溫 度檢測上完成了特色功能的要求，且系統(tǒng)能夠長時間持續(xù)穩(wěn)定工作。對于電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率，軟件上采用了類似于P調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)方法，能 夠有效的減小系統(tǒng)輸出電壓的靜差， 但實際測量仍舊不能消除。分析原因可以解 釋為按照控制理論補償算法中的 P調(diào)節(jié)能夠減小靜差，但是無法消除靜差。對于輸出噪聲紋波的測量，由于在電源前級使用了電