全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽論文電源設(shè)計(jì)

1、1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)題目要求，總體設(shè)計(jì)方案如下：將交流電220V送進(jìn)隔離變壓器，一級(jí)輸出18V交流電。通過(guò)整流濾波，將交流電轉(zhuǎn)為直流電，進(jìn)行DC-DC升壓和降壓。副DC-DC實(shí)現(xiàn)的降壓值為5V,用于給單片機(jī)控制系統(tǒng)供電。通過(guò)鍵盤可以對(duì)主DC-DC升壓的輸出電壓進(jìn)行設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，并由AD對(duì)輸出進(jìn)行采樣，通過(guò)在單片機(jī)內(nèi)預(yù)置的算法對(duì)輸出進(jìn)行 補(bǔ)償調(diào)整，同時(shí)從液晶屏上數(shù)字顯示出電流和電壓值。當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電流達(dá)到上 限時(shí)，啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)；當(dāng)故障排除后，開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。系統(tǒng)總體框圖如圖所示。圖 系統(tǒng)總體框圖2. 主 DC-DC 升壓電路設(shè)計(jì)方案DC- DC升壓電路采用自舉式升壓方式，如圖

2、所示，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電感與電源接 地端直接相連，形成回路。隨著能量存儲(chǔ)到電感的磁場(chǎng)中，流過(guò)電感的電流斜線上升， 磁力線增強(qiáng)。當(dāng)晶體管截止時(shí)，磁場(chǎng)開始消失。隨著它的減弱，會(huì)切割電感的導(dǎo)線，產(chǎn)生一個(gè)電 壓。由于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)建立時(shí)的方向相反，所以感應(yīng)電壓反向。從而實(shí)現(xiàn)升壓 的過(guò)程。圖 自舉式主 DC-DC 回路拓?fù)鋱D3. 控制方法及實(shí)現(xiàn)方案對(duì)主DC-D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(bǔ)償和測(cè)量相結(jié)合的 方法對(duì)DC-DC勺輸出進(jìn)行精確控制。硬件控制采用國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM2587-AD開關(guān)電源 控制芯片組成對(duì)輸出主回路的電壓閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的粗調(diào)。軟件控制選用STC12C5

3、412A單片機(jī)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(guò)預(yù)置算法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精調(diào)。4. 提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案1.降低二極管的損耗：二極管一般需要的導(dǎo)通電壓降。在輸出電壓為時(shí)，二極管要 消耗一定的輸出功率。而肖特基二極管的導(dǎo)通壓降一般為，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(jì)在外圍電路中，極易由于設(shè)計(jì)參數(shù)的問(wèn)題導(dǎo)致開關(guān)管部分時(shí)間工作在線性區(qū)，會(huì)引起一定損耗。在設(shè)計(jì)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(dǎo)線的寄生電阻和電感線圈引起的。實(shí)際設(shè)計(jì)中，選

4、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(gè)磁滯損耗和渦流損耗。在實(shí)際操作中，采 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。：電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1.主回路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算題目中要求：18V交流輸入時(shí)， 經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入電壓為 （理論計(jì)算得出） ， 負(fù)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n70%發(fā)揮部分要求 達(dá)到n85%）。據(jù)此，在主DC-DC升壓回路中主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器的器件為L(zhǎng)M2587-ADJ LM2587-ADJ內(nèi)部有一個(gè)100kHz的

5、振蕩器，內(nèi)部開關(guān)電流額定值5A,負(fù)載 電壓Voad65V,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(jì)需求。主DC-DC回路電路圖如圖所示，通過(guò)改變R2和R3的比值即可設(shè)定所需負(fù)載電壓值。圖主回路原理圖將反饋電壓與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較：V聞=（1+昱）（2-1）R3已知1kQR35 kQ例如選取R=115kQ,RB的值根據(jù)Voad的設(shè)定選取。Road（負(fù)載功率）Vload1load（2-2）Rload0.9Psupply（輸入功率）（2-3）RsupplyVJUVin輸入電壓，I.輸入電流）（2-4）通過(guò)公式計(jì)算得到L的范圍：78卩H 93卩Ho按照設(shè)計(jì)要求，在LM2587前級(jí)

6、需加兩個(gè)輸入電容。在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)， 較大的C1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G應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)小一些的陶瓷電容。這種類型的電容比電解電容快得多，使它可以響應(yīng)開始導(dǎo)通的瞬變過(guò)程對(duì)電感L來(lái)說(shuō)，選擇 i 0.25linVLLdttVLi開關(guān)的占空比為1皿Vload(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t=DT（T為電感的工作周期，常值 10 s ）C12、控制電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算硬件控制電路如圖所示。LM2587的2為反饋端，通過(guò)兩個(gè)電阻分壓產(chǎn)生一個(gè)電平 部基準(zhǔn)比較從而對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)整， 為了方便引腳同內(nèi)引入軟件的

7、補(bǔ)償控制作用，增加了如圖所示的控制電路，通過(guò)D/A輸出改變芯片反饋點(diǎn)電壓，從而可以在要求范圍內(nèi)設(shè)定輸出電壓值，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。圖軟件補(bǔ)償控制電路R和R3的阻值選取決定了軟件輸出補(bǔ)償?shù)纳舷拗担@個(gè)值由公式（2-1）可求得。D/A設(shè)定的零點(diǎn)由二極管導(dǎo)通壓降決定。二極管選用反向漏電流較小的1N4148 R Ra根據(jù)題目要求計(jì)算。設(shè)定滿值輸出電壓為44V,系統(tǒng)可以在3036V之間自由調(diào)整，根據(jù)LM2587設(shè)計(jì)文檔R要求取值1 kQ5 kQ,選取kQ,可以求得R為84 kQ?？刂瞥绦蛄鲌D如圖所示。3、效率的分析及計(jì)算從系統(tǒng)總體分析，整流后輸出功率損耗分布在 分，一個(gè)是DC-DC升壓主回路，另一個(gè)是單

8、片機(jī)等 示電路部分。根據(jù)LM2587的技術(shù)文檔，此類升壓 效率應(yīng)該可以做到90%上。從本系統(tǒng)分析，第二 身的功率損耗比較小，留足余量按照100mA的通過(guò)5V供電電壓計(jì)算，這部分功耗只有，占總功率72W是完全可以承受的。但是由于前級(jí)輸入電壓為若采 電源，如L7805等電壓芯片，那么在其上的功耗便0.1A=， 加上原有功耗， 那么在這部分消耗的功率 總功率的3%這個(gè)會(huì)極大的降低電源的性能。因而 供電采用DC-DC模式降壓輸出， 控制芯片使用MC34063效率可以達(dá)到89%這樣計(jì)算出的功耗為。對(duì)于DC-DC升壓部分，二極管的損耗，由于二 非一直導(dǎo)通，而且設(shè)計(jì)中使用了低壓降的肖基特二 替了普通的快恢復(fù)

9、二極管，因而其功耗上限值為X關(guān)管集成在圖軟件流圖LM2587內(nèi)部，按照3W的損耗計(jì)算。銅損、鐵損的損耗需要根據(jù)實(shí)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(jì)算系統(tǒng)功耗+3W+3W）/72W=%并結(jié)合芯片的技術(shù)文檔分析本系 統(tǒng)的效率應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到90%4、保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算保護(hù)電路采用單片機(jī)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(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并判斷是否通過(guò)電流達(dá)到過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作閾值。如果 達(dá)到動(dòng)作閾值后，單片機(jī)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(cè)負(fù)載端故障是否解除，如果解除，則恢復(fù)供電，否則繼續(xù)過(guò)流保護(hù)。5、數(shù)

10、字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計(jì)按鍵使用4X4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，電路原理圖如圖所示。顯示器采用點(diǎn)陣為128X64的液晶，將設(shè)定的電壓值、測(cè)量的電壓值和電流值等信息分別顯示出來(lái)。兩 個(gè) 部控 制 顯電 路 的部 分 本電流的這用 線 性有X將達(dá)到 這部分極管并極管代2A=o壬療利姑甘.三：測(cè)試方法與數(shù)據(jù)1、測(cè)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(wàn)用表。用滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)到不同阻值的條件下， 通過(guò)鍵盤給定輸出值，并測(cè)量通過(guò)調(diào)節(jié)是否能夠達(dá)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(wàn)用表。利用滑動(dòng)變

11、阻器減小電阻，測(cè)試電流是 否能夠達(dá)到要求值。1.3電壓調(diào)整率測(cè)試：利用自藕調(diào)壓器，使輸入交流15V21V變化，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使IO=2A,輸出端端子 并聯(lián)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量直流電壓的變化率。1.4負(fù)載調(diào)整率測(cè)試：在U2=18V寸，利用滑動(dòng)變阻器，使負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化，輸出端之并聯(lián)數(shù)字萬(wàn)用表 測(cè)量直流電壓相對(duì)于原來(lái)的變化率。1.5輸出噪聲紋波電壓檢測(cè)：使系統(tǒng)工作在U2=18V,U=36V,IO=2A狀態(tài)，在輸出端子上并接數(shù)字示波器，調(diào)節(jié)達(dá)到合 適檔位，測(cè)量輸出噪聲紋波電壓。1.6DC-D（變換效率測(cè)試：在U2=18V,U=36V,IO=2A勺條件下，在DC-D輸入端串進(jìn)一塊數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電流、并

12、用另一塊電壓表測(cè)試輸入電壓。負(fù)載端做同樣的測(cè)試測(cè)試負(fù)載兩端電壓及負(fù)載電流。通 過(guò)公式P =UI計(jì)算DC-D（輸入輸出的功率，兩者相比即可求得實(shí)際電路的效率。1.7過(guò)載保護(hù)時(shí)動(dòng)作電流的測(cè)試：在負(fù)載回路串聯(lián)一塊電流表，通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)負(fù)載電流，當(dāng)電流表顯示進(jìn)去動(dòng) 作區(qū)時(shí)，記錄設(shè)備是否正常進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。1.8液晶顯示測(cè)試：通過(guò)觀察液晶顯示器上的數(shù)據(jù)顯示，并結(jié)合萬(wàn)用表的測(cè)量結(jié)果，判斷液晶顯示器能 否正常工作。2、測(cè)試儀器：電路測(cè)試中使用的儀器設(shè)備及其用途如表1所示 表 電 源 部 分 測(cè) 試 實(shí) 用 的 儀 器 設(shè) 備序號(hào)儀器名稱及型號(hào)用途1MS805C 五位半數(shù)字多用表對(duì) A/D、D/A 等進(jìn)行校

13、正2DS- 5120M 100MH 示波器測(cè)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(cè)試5滑線變阻器作可變負(fù)載3、測(cè)試數(shù)據(jù)：電路主要測(cè)試數(shù)據(jù)如表，詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)見附錄。 表DC-DC各項(xiàng)主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目測(cè)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(guò)流保護(hù)斷開）3電壓調(diào)整率%4負(fù)載調(diào)整率%5輸出噪聲紋波測(cè)量370mV6DC-DC 變換效率%7過(guò)載保護(hù)測(cè)試能夠在要求范圍內(nèi)正常動(dòng)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(cè)試結(jié)果分析結(jié)合任務(wù)設(shè)計(jì)指標(biāo)及主要指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了基本部分的設(shè)計(jì) 要求，同時(shí)達(dá)到了發(fā)揮部分的所有要求，而且在附加的簡(jiǎn)單語(yǔ)音及設(shè)備溫度檢測(cè)上完成 了特色功能的要求，且系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定工作。對(duì)于電壓調(diào)整率和負(fù)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(shí)際測(cè)量仍舊不能消除。分析原因可以解釋為按照控制 理論補(bǔ)償算法中的P調(diào)節(jié)能夠減小靜差，但是無(wú)法消除靜差。對(duì)于輸出噪聲紋波的測(cè)量，由于在電源前級(jí)使用了電源濾波器，因而系統(tǒng)的輸入電