全國大學(xué)生電子競賽-開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計報告

1、開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計報告（1） 摘 要基于電路設(shè)計的要求，開關(guān)穩(wěn)壓電源電路主要由隔離變壓、整流濾波、DC-DC變換器、控制系統(tǒng)、顯示等電路模塊組成。選擇了Boost升壓變換器實現(xiàn)DC-DC變換，電路結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高；選用小導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度的IRF640管為開關(guān)管，選用快速恢復(fù)二極管RHRP15120整流，減少反向?qū)〞r間，降低損耗。控制系統(tǒng)選用單片機ADuC812和脈寬調(diào)制控制器SG3525通過雙閉環(huán)回路共同控制DC-DC變換電路，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定、可調(diào)；SG3525產(chǎn)生高頻脈沖控制DC-DC變換，ADuC812實現(xiàn)顯示、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、過流保護、處理電壓反饋信號、對ADuC

2、812進行控制、顯示和人機交換等功能。 通過實驗驗證電路實現(xiàn)了設(shè)計要求的全部基本指標(biāo)，并且DC-DC變換效率達到85%。電路設(shè)計還有很多不足，各項設(shè)計指標(biāo)還有待進一步提高。 1 系統(tǒng)方案設(shè)計與論證1.1 設(shè)計思路基于題目的基本要求，可以采用圖1所示的方案。系統(tǒng)主要由隔離變壓、整流濾波、DCDC變換器、控制系統(tǒng)、顯示等電路模塊組成。隔離變壓模塊實現(xiàn)220VAC變壓為18VAC，再經(jīng)整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電壓；控制器模塊實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、過流保護、DCDC電壓輸出控制和穩(wěn)壓、顯示、人機交換等功能;過流保護電路實現(xiàn)輸出電流過流保護功能；同時，電壓負反饋電路進一步對負載電壓

3、進行精確控制。 1.2 方案的論證 1.2.1 DC-DC主回路拓撲 設(shè)計的要求是進行升壓變換，選擇了Boost變換器。Boost換器電路結(jié)構(gòu)簡單，由開關(guān)管、二極管、電感、電解電容等元件組成，便于進行電路設(shè)計，穩(wěn)壓性能優(yōu)，并且轉(zhuǎn)換效率高。原理圖如圖2所示。開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計報告（2）接（1）  1.2.2 控制方法及實現(xiàn)方案 控制系統(tǒng)有兩種設(shè)計方案：(1) 方案一：單片機來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。該方案的優(yōu)點：布線簡單，硬件設(shè)計節(jié)省時間；該方案的缺點：控制軟件編程工作量大、難度大；所有的控制都由單片機來實現(xiàn)，對單片機的硬件資源要求很高；該設(shè)計要求對DC-DC變換器實現(xiàn)PWM控制的

4、開關(guān)頻率至少要為100KHZ，這是單片機難于實現(xiàn)的。（2）方案二：單片機和脈寬調(diào)制型控制器共同實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。 該方案的優(yōu)點： 控制系統(tǒng)軟件編程工作量較小，難度不大； 用脈寬調(diào)制型控制器實現(xiàn)PWM控制，產(chǎn)生頻率為100KHZ的脈沖較容易，并且完全由硬件產(chǎn)生高頻脈沖，實時性好； 單片機控制的任務(wù)較輕，對單片機硬件資源要求不高。 該方案的缺點： 硬件電器設(shè)計難度較大；電路板布線工作量較大。經(jīng)過方案比較與論證，最終確定用方案二-單片機和脈寬調(diào)制型控制器共同實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示，脈寬調(diào)制器產(chǎn)生高頻脈沖直接控制DC-DC變換模塊，單片機實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、過流

5、保護、處理電壓反饋信號、對脈寬調(diào)制器進行控制、顯示和人機交換等功能; 過流保護電路使負載電流不超過2.5A；負載電壓負反饋電路進一步對負載電壓進行精確控制。 1.2.3 提高效率的方法及實現(xiàn)方案設(shè)計電路時，采取了以下方法降低損耗，提高DC-DC轉(zhuǎn)換效率： 通過提高工作頻率，讓工作頻率達到100KHZ；選用小導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度的MOSTET，降低MOSFET開關(guān)損耗。選用了IRF640（VDSS= 200 V， RDS(on) < 0.18 W，ID= 18 A）選用快速恢復(fù)整流二極管，減少反向?qū)〞r間，減少損耗。選用了肖特基二極管RHRP15120，恢復(fù)時間trr < 65ns。

6、2 電路設(shè)計與參數(shù)計算 2.1 DC-DC回路器件的選擇及參數(shù)計算根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求-電感電流連續(xù)模式的Boost變換器，輸入電壓Vs=1824V，輸出電壓Vo=3036V，輸出電流Io=02A,開關(guān)頻率fs=100kHZ,設(shè)定紋波電流Vo1V，分別計算電感、電容器和二極管的參數(shù)： 開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計報告（3）接（2）  2.2 控制電路設(shè)計與參數(shù)計算控制系統(tǒng)是設(shè)計的關(guān)鍵部分，由單片機系統(tǒng)和脈寬調(diào)制控制器共同來控制DC-DC變換電路，實現(xiàn)電壓穩(wěn)定輸出，達到設(shè)計的所有指標(biāo)。單片機選用高集成度自帶D/A和A/D轉(zhuǎn)換的單片機ADuC812；脈寬調(diào)制控制器選用具有欠壓鎖定、系統(tǒng)故障關(guān)

7、閉、軟起動延時PWM驅(qū)動等功能的SG3525芯片?？刂葡到y(tǒng)的電路圖如圖3所示，采用雙閉環(huán)控制電路來實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。負載的電壓經(jīng)R1取樣反饋到SG3525的引腳1端（誤差放大器反向輸入端）；單片機ADuC812采集R1取樣電壓，通過軟件進行PID調(diào)節(jié)，D/A轉(zhuǎn)換后反饋到SG3525的引腳2端（誤差放大器同向輸入端）；SG3525的引腳1、2的電壓通過芯片內(nèi)部誤差放大器比較并輸出誤差電壓Vea，Vea通過比較器與鋸齒波進行比較，11腳輸出一個脈寬可變的PWM脈沖來調(diào)節(jié)DC-DC變換電路，最終實現(xiàn)輸出電 壓穩(wěn)定、可調(diào)。 2.3 保護電路設(shè)計與參數(shù)計算 如圖3當(dāng)電路穩(wěn)定輸出36伏，若流經(jīng)負載的電流為

8、2.5安，R7（阻值0.3歐，康銅絲擾制）的壓降為0.75V，即第10引腳電壓為0.75伏，觸發(fā)PWM輸出關(guān)閉，實現(xiàn)了電路過流保護功能，動作電流為Io(th)=2.5+ 0.2A。 2.4 數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計 數(shù)字設(shè)定及顯示功能由單片機ADuC812來實現(xiàn)，具體的電路設(shè)計和控制程序見附錄。通過按鍵設(shè)定送到SG3525的電壓、調(diào)節(jié)數(shù)碼管的顯示模式,按鍵詳細功能如下:鍵1: 模式鍵-切換上升/下降功能、電流顯示和電壓顯示。鍵2: 上升鍵3: 下降開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計報告（4）接（3）   3 測試方法與數(shù)據(jù) 3.1 測量輸出電壓U0可調(diào)范圍 通過調(diào)節(jié)給定變阻器或D/

9、A輸出電壓調(diào)節(jié)SG3525第2腳輸入給定電壓,用數(shù)字萬用表測量輸出端可穩(wěn)定輸出3036V。調(diào)節(jié)第2腳電壓，測得輸出電壓的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。2腳電壓(V)1.981.921.871.831.761.701.65輸出端電壓(V)36353433323130 表1 輸出電壓調(diào)可調(diào)范圍 3.2 測量輸出電流Iomax 選用18歐大功率電阻,在直流輸出電壓為36伏時,通過萬用表測得輸出電流達到 2A。 3.3 測量電壓調(diào)整率SU DC-DC模塊，輸入電壓U2從15V變到21伏，輸出電流為2A時，對應(yīng)的輸出電壓Uo和電壓調(diào)整率SU實驗數(shù)據(jù)如表2所示。   開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計報告（5）接（4）  U2 (V)15161718192021Uo (V)35.2935.3135.3435.9236.6536.6836.71SU1.97%1.92%1.83%0.22%1.82%1.89%1.96%表2 電壓調(diào)整率SU實驗數(shù)據(jù)3.4 測量負載調(diào)整率SI 負載空載時,輸出端電壓為36V；負載電流為 2A時,輸出端電壓為34.7V。