開關(guān)穩(wěn)壓電源

1、湖南工學(xué)院設(shè)計(jì)課題：開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源組 員：劉功文 杜志成 劉品田班級(jí)：電氣0801班設(shè)計(jì)指標(biāo)：1. 輸出電壓可調(diào)范圍：3036V；2. 最大的輸出電流：2A;3. 從15v變到21v，電壓調(diào)整率<2%4. 從0A變到2A，負(fù)載調(diào)整率：<5%(=18v);5. DC-DC變換器的效率>70%（=18v,=36v,=2A）;6. 具有過流保護(hù)的功能，即繼電器的動(dòng)作電流為2.5A。設(shè)計(jì)要求：1. DC-DC變換器的輸出電壓高于輸入電壓，因此需要一個(gè)升壓斬波電路2. 功能要求該開關(guān)穩(wěn)壓直流電源應(yīng)具有輸出電壓同步可以調(diào)、鍵盤設(shè)定；過流保護(hù)，出現(xiàn)故障后能自動(dòng)恢復(fù)正常，同時(shí)能具有輸

2、出電壓，電流的測(cè)量與顯示的功能3. 對(duì)于各個(gè)模塊必須要自制輔助電源來供電，而且效率不能太低。輸入和輸出必須沒有直接的電氣隔離，而且輸入端已有隔離變壓器隔離，因此無直接的電氣隔離電路。方案討論根據(jù)上述的要求，不難構(gòu)建系統(tǒng)的整體框架圖，220V交流電壓經(jīng)過隔離、降壓、整流、濾波后，得到比較穩(wěn)定的直流電壓，在經(jīng)過DC-DC電路升壓后再濾波得到比較平滑的直流輸出電壓，輸出電壓、電流經(jīng)過檢測(cè)元件、AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣，經(jīng)過運(yùn)算后就可以得到需要的PWM信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到電流到達(dá)到2.5A時(shí)，單片機(jī)發(fā)出命令前級(jí)處理電路的繼電器，從而使供電中斷，可靠的實(shí)現(xiàn)電路的安全。 綜上所述，我們可以得到總的原理

3、框圖2、控制部分控制部分主要完成輸出電壓的鍵盤設(shè)計(jì)與步進(jìn)，以及電壓電流的液晶屏幕的顯示，主要以單片機(jī)為控制中心開展工作，圍繞單片機(jī)可以很容易地實(shí)現(xiàn)過流過壓功能。單片機(jī)控制方框圖（4-1）所示。圖（2-1） 單片機(jī)系統(tǒng)最小系統(tǒng)單片機(jī)可以選用51系列的單片機(jī)，通過AD將輸入電壓、輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，單片機(jī)還完成對(duì)鍵盤的控制和液晶屏的顯示功能。輸出電流的采樣依靠串聯(lián)在輸出回路的采樣電阻完成，為了減少損耗，采樣電阻采用溫度特性好的康銅絲繞制，阻值0.1歐姆左右，經(jīng)差動(dòng)放大器INA148送入A/D,計(jì)算處理得到負(fù)載回路的電流值。這種檢測(cè)輸出電流的方案穩(wěn)定可靠，精度高。當(dāng)檢測(cè)到輸出電流達(dá)到2.5A時(shí)，

4、單片機(jī)發(fā)送斷開前級(jí)處理電路的繼電器，從而使供電中斷，可靠地保護(hù)電路的安全。采用延時(shí)恢復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障排除后自動(dòng)恢復(fù)功能。為了使輸出電壓在3036V間步進(jìn)可調(diào)，我們用數(shù)字電位器X9312做采樣電阻R2，通過調(diào)整其阻值改變輸出電壓幅度。X9312為10K、100檔數(shù)字電位器，足夠滿足題目輸出3036V可調(diào)的要求。X9312和其串聯(lián)的5K歐姆的電阻R1兩端電壓受UC3843調(diào)節(jié)，X9312兩端電壓等于UC3843內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Uref=2.5V,因此調(diào)整數(shù)字電位器阻值，即可調(diào)整輸出電壓幅值。根據(jù)測(cè)試精度要求和現(xiàn)有的實(shí)際情況選用合適的A/D，可選用8bit串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832，用于采樣電流值。單片

5、機(jī)接收A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)并定時(shí)刷新，通過內(nèi)部處理得出實(shí)際的電壓電流值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣和電壓電流值的顯示。為了提高實(shí)時(shí)檢測(cè)的精度，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)求平均以減少干擾。2.1人機(jī)交互及保護(hù)電路設(shè)計(jì)人機(jī)交互主要完成輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)、輸入電壓、輸出電壓與電流的測(cè)量與顯示過流等功能。其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方框（2-2）所示圖（2-2） 人機(jī)交互界面本設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、片外RAM、片外ROM、按鍵、數(shù)碼管、液晶顯示、ADC、DAC及外部接口等組成。圖（4-3）為單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖（2-2） 單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3 芯片及功能介紹2.3.1 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片0832 AD轉(zhuǎn)換芯片08

6、32是8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于其體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者喜歡，目前有很高的普及率。下圖（4-4）為AD轉(zhuǎn)換芯片0832的引腳圖。 圖（2-4） AD0832的引腳圖芯片接口說明： CS 片選使能，低電平芯片使能； CH0 模擬輸入通道0； CH1 模擬輸入通道1； GND 芯片參考0電位；DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制；D0 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；CLK 芯片時(shí)鐘輸入；Vcc/Ref 電源輸入及參考電壓輸入。2.3.2 DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片0832DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控

7、制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，下圖（4-5）為DAC0832芯片的引腳圖。圖（2-5） DAC數(shù)模芯片0832DAC0832芯片的引腳說明：D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時(shí)間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò))； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效； CS：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換

8、，LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時(shí)，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號(hào)輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；

9、 VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V； AGND：模擬信號(hào)地；DGND：數(shù)字信號(hào)地。2.3 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要由主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序和AD及D/A轉(zhuǎn)換子程序等組成，其流程圖（4-6）所示。上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后調(diào)用取樣子程序，檢測(cè)當(dāng)前電壓和電流進(jìn)行顯示，調(diào)用過流子程序，若過流則斷電，延時(shí)后電源重新啟動(dòng)，否繼續(xù)檢測(cè)鍵盤。3.1 DC-DC升壓變換器設(shè)計(jì) DC-DC升壓變換器的功能及組成元件DC-DC變換器的功能是將一種電壓的直流電變換為另一種或幾種電壓的直流電。其電路主要由UC3843芯片來實(shí)現(xiàn)。 DC-DC升壓變換電路所用芯片的管腳圖及其功能表UC

10、3843芯片管腳圖如下所示：圖3-2-1其內(nèi)部簡(jiǎn)圖如下：圖3-2-2UC384功能表如下圖所示：管腳功能 說明1補(bǔ)償該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償。2電壓反饋該管腳是誤差放大器輸入，通常通過一個(gè)電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出。3電流取樣一個(gè)正比于電感器電流的電壓接至此輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息終止輸出開關(guān)的導(dǎo)通。4RT/CT通過將電阻RT接到Vref以及電容CT接至地，使振蕩器的頻率和最大輸出占空比可調(diào)。工作頻率可達(dá)500KHZ.5地該管腳是控制電路和電源的公共地。6輸出該輸出直接驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET的柵極，高達(dá)1.0A的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌。7VCC該管腳是控制集成電路的正電源。8

11、Vref該管腳為參考輸出，它通過電阻RT向電容CT提供供電電流。表2-2-1 DC-DC升壓變換電路工作原理DC-DC升壓變換電路原理圖如下所示：DC-DC升壓變換電路工作原理：1腳是補(bǔ)償端，外接電阻電容元件以補(bǔ)償誤差放大器的頻率特性。第2腳是反饋端，將取樣電壓加至誤差放大器的反向輸入端，再于同向輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出誤差控制電壓。第3腳接過流保護(hù)電阻組成過流保護(hù)電路。RT/CT鋸齒波振蕩器定時(shí)電阻和電容的公共端，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為Vref=5V。它內(nèi)部有兩個(gè)閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，當(dāng)按上圖所示接線通電后，一部分從A點(diǎn)取得的反饋電壓輸入誤差放大器的反向輸入端2腳，與基準(zhǔn)電壓比較產(chǎn)生控制電壓，控制

12、6腳輸出脈沖的占空比，使開關(guān)管MOSFET占空比改變，從而使輸出恒定。另一部分為電流內(nèi)環(huán)，即通過開關(guān)管的源極到公共端間的電流檢測(cè)電阻RS,使開關(guān)管導(dǎo)通期間流經(jīng)電感L的電流在RS產(chǎn)生的電壓送至TPWM比較器同相輸入端，與誤差信號(hào)進(jìn)行比較后控制脈沖的寬度，利用反饋原理，保持穩(wěn)定的輸出電壓。 DC-DC升壓變換電路參數(shù)的選擇與計(jì)算1. 電路開關(guān)頻率fS選擇電路開關(guān)頻率fS對(duì)DC-DC電路的效率影響很大。若fS太低，充電電感.電容的體積太大，在保證充電電感量的前提下，線圈的匝數(shù)增多，銅損耗加大。若fS太高，可使充電電感.電容的體積縮小，重量變輕，但充電電感的渦流損耗.磁損耗及其他元器件的分布參數(shù)的影響

13、加大造成的其他元件損耗加大。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選定fS=49HZ。2.確定最大占空比DmaxDmax=(U0-Ui)/U0=(36-23.4)/36=35%3.充電電感L1的計(jì)算L12(U0-US)D(1-D)/I0*fS=2(23.4-0.9)*0.35*(1-0.35)/2*4900=105(uH)同時(shí)考慮在10%額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況，實(shí)際設(shè)計(jì)是時(shí)可以假設(shè)電路在額定輸出時(shí)，電感紋波電流為平均電流的20%-30%，取30%為平衡點(diǎn)，即IL=30%*IL(平均)=30%*I0/(1-D)=0.3*2/(1-0.35)=0.923(A)于是L1=(Ui-US)/ILfS=(23.4-0.9)

14、/0.932*49000=497(uH)流過電感L1的峰值電流ILr=1.15*I0/(1-D)=1.15*2/(1-0.35)=3.54(A)取充電電感線圈載流量為2A/mm2導(dǎo)線的截面積 S= ILr/2=3.54/2=1.77(mm2) 導(dǎo)線直徑 d=(4 S/)=1.5 (mm)4.電容C2選擇輸出濾波電容的選取決定了輸出紋波電壓，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的ESRU0/IL=36*1%/0.923=0.39.另外，為了滿足輸出紋波電壓相對(duì)值的要求，濾波電容應(yīng)滿足CL= U02DT/U0 I0=362*0.35/36*1%*2*49000=1286(uF)為了降低紋