新型數(shù)控開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、目錄1 緒論 11.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理 11.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點 12 開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計 23 開關(guān)電源電路的硬件電路設(shè)計方案 23.1 采用 PWM 控制 23.2 選取拓撲結(jié)構(gòu)方案 23.3 單片機控制 UC3842 開關(guān)電源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 23.4 單片機作用下的開關(guān)電源電路設(shè)計 33.5 重要元器件的參數(shù)計算 34 開關(guān)電源的軟件設(shè)計 44.1 開關(guān)電源的軟件 44.2 軟件誤差計算與削除誤差 45 實驗結(jié)果與結(jié)論 55.1 實驗結(jié)果 55 結(jié)束語 5參考文獻： 51新型數(shù)控開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計摘要：根據(jù)當(dāng)前高頻開關(guān)電源的現(xiàn)狀和進展，采用現(xiàn)今應(yīng)用廣泛的PW控制來滿足DC-D（變

2、換的要求，研制出一臺BOOS型拓撲方式的DC-D（開關(guān)電源實驗樣機。針對高頻率下開關(guān)電源產(chǎn)生的開關(guān)損耗，選擇合適的 方案和設(shè)計緩沖電路、高頻率下功率器件驅(qū)動，并在計中采用模塊化的設(shè)計方法，通過理論估算、軟件仿真、 實驗等環(huán)節(jié)進行數(shù)控開關(guān)穩(wěn)壓電源硬件電路的設(shè)計和制作。關(guān)鍵詞：數(shù)控穩(wěn)壓電源效率紋波系數(shù)脈沖寬度調(diào)制1緒論目前，開關(guān)電源以小型、高效率的突出優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用于各種電氣設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛 速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。由于開關(guān)電源通常工作在幾十甚至幾百千赫范圍內(nèi)，省略了50HZ勺主工頻變壓器，因此體積小，重量輕。開關(guān)電源處于電源技術(shù)的核心地位，近十年來有了突飛猛進的發(fā)展，而直流

3、 開關(guān)電源是各種電源中應(yīng)用范圍最廣和市場最大的一種，包括AC/DC和 DC/DC直流開關(guān)電源經(jīng)過幾十年的發(fā)展，集中了許多高新技術(shù)，包括新型功率半導(dǎo)體器件、軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、同步整流技術(shù)、智 能化技術(shù)、表面安裝技術(shù)，已經(jīng)形成了具有高工頻率、高效率、高功率密度、高可靠性等特征的現(xiàn)代直流開 關(guān)電源2。在電子產(chǎn)品設(shè)計中，經(jīng)常會出現(xiàn)一定范圍的穩(wěn)壓輸出，且輸出功率又較大的情況。1.1開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理開關(guān)穩(wěn)壓電源是將不穩(wěn)定的直流電壓變成交變的電壓，又將交變電壓轉(zhuǎn)換成各種數(shù)值穩(wěn)定的直流電壓輸 出，開關(guān)穩(wěn)壓電源電壓電路中的調(diào)整管主要工作在飽和導(dǎo)通和截至兩種狀態(tài)。其按控制方式分為脈寬式和調(diào) 頻式兩

4、種，目前使用絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制式。開關(guān)穩(wěn)壓電源主要是由輸入電路、變換器、控制電路、輸出電路四個主體組成，如圖1所示。輸入電路變換電路輸出電路控制電路圖1開關(guān)電路的基本結(jié)構(gòu)框圖輸入電路是線性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路組成。把輸入電網(wǎng)的交流電源轉(zhuǎn)化為符合要求 的開關(guān)電源的直流輸入電源。變換電路是開關(guān)穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵部分，包含開關(guān)電路、變壓器，主要完成對帶 有功率的電源波形進行斬波調(diào)制和輸出。其中開關(guān)電路有驅(qū)動方式、變換電路、功率器件、調(diào)節(jié)方式（PWM、PFM、PWM / PFM混合型）。輸出電路是整流、濾波組成的，把輸出的電壓整流成脈動直流且平滑成低紋波 的直流電壓。控制電路是從輸出端取樣

5、與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)進行比較，再去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到 穩(wěn)定的輸出值。另外，根據(jù)測試電路提供的資料，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。1.2開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點開關(guān)穩(wěn)壓器是通過開關(guān)動作，使連續(xù)的直流電變成間斷供電的脈沖，再通過儲能濾波元件，將不連續(xù)的 脈沖變成連續(xù)的直流電。只要控制開關(guān)的時間比即可改變輸電電壓，再通過輸出電壓的變化控制開關(guān)動作時 間，即可使輸出電壓穩(wěn)定。 開關(guān)穩(wěn)壓電源特點： 體積小、重量輕；功率小、效率高調(diào)壓器工作于開關(guān)方式 ，因 此效率極高一般效率可以做到 80%以上；穩(wěn)壓范圍寬，電網(wǎng)電壓從140V到260V均可正常工作，線性調(diào)整率高； 電路形式靈活多樣

6、，有自激式和它傲式,PWM 型和PFM型，單端式和雙端式等。電路復(fù)雜維修困難對電路的污染嚴(yán)孟，電源噪聲大不適合用于低噪聲電路由于調(diào)壓特件工作于開關(guān)方式因此DV/DT很大，容易產(chǎn)生較強的傳導(dǎo)發(fā)射以及輻射發(fā)射。2開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計設(shè)計一臺數(shù)控開關(guān)穩(wěn)壓電源，要求輸入交流電壓后18V ;輸出電壓范圍為3036 V ;輸出電流達 2A;穩(wěn)壓效率高達80%;具有過流保護等功能。根據(jù)當(dāng)前高頻開關(guān)電源的現(xiàn)狀和進展，在電源研制過程中， 采用模塊化的設(shè)計方法，通過理論估算、軟件仿真、實驗等環(huán)節(jié)進行了設(shè)計和制作。在設(shè)計中，采用目前應(yīng) 用廣泛的脈沖寬度調(diào)制（PWM ）控制來滿足DC-DC變換的要求，為達到電源數(shù)字化，

7、顯示實時電壓值和使用 按鍵步進輸出電壓值，采用了單片機控制UC3842開關(guān)電源模塊的方法來實現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓電源框圖如圖2所示。隔離變 壓器整流濾 波I 1NDC-D變換器I 0匚220V ACU=18V AC+Un如圖2開關(guān)穩(wěn)壓電源框圖3開關(guān)電源電路的硬件電路設(shè)計方案3.1采用PWM控制PWM是指將輸出信號的通斷周期固定不變，改變導(dǎo)通時間來控制輸出功率。開關(guān)電源一般都采用PWM技術(shù)，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。3.2選取拓撲結(jié)構(gòu)方案在設(shè)計變換器前，必須首先選擇電路拓撲。因為其它所有電路元件的設(shè)計，像元件選擇、磁芯設(shè)計、閉 環(huán)補償?shù)榷既Q于拓撲。所以在設(shè)計開始之前，首先必須仔細研

8、究所要開發(fā)的電源的要求和技術(shù)規(guī)范：輸入、 輸出電壓，輸出功率，輸出紋波，電磁兼容要求等，以保證選擇適當(dāng)?shù)耐負洹念A(yù)定的電源的參數(shù)要求中可 以看出：電源的輸入電壓低，輸入電壓小于輸出電壓，可以不隔離，顯然BOOST電路符合我們的要求。因此可以將BOOST電路作為我們設(shè)計的拓撲。3.3單片機控制UC3842開關(guān)電源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源在長期工作中，分立元件（電阻、電容等）容易受溫度等因素的影響而使自身參數(shù)發(fā)生改 變，繼而使輸出電壓漂移，偏離設(shè)定的電壓值，用單片機系統(tǒng)構(gòu)成的外部反饋正好可以彌補電壓漂移這一缺 點3。圖3是單片機控制UC3842開關(guān)電源模塊的原理框圖：AT單片機通過AT89S51

9、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片接收UC3842開關(guān)電源的輸出信號，通過單片機內(nèi)部計算后得出的電壓誤差結(jié)果再通過DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓反饋到UC3842開關(guān)電源模塊的Feedback端進輸出電壓的調(diào)整，重復(fù)整個過程至此電壓穩(wěn)定在預(yù)定的輸出 結(jié)果上，最終輸出電壓結(jié)果通過單片機控制液晶顯示器（LCD ）顯示出來。圖3單片機控制UC3842開關(guān)電源模塊的原理框圖在電壓的調(diào)整過程中，當(dāng)出現(xiàn)輸出電流過大時，過流信號傳至單片機的INT0中斷口，由單片機調(diào)用中斷程序，通過P3.6口控制穩(wěn)壓電源中的繼電器工作，起到過流保護穩(wěn)壓電源的作用。3.4單片機作用下的開關(guān)電源電路設(shè)計在基于單片機控制UC3842的開關(guān)電源

10、設(shè)計中，單片機能控制UC3842開關(guān)電源模塊的輸出電壓，是因為單片機控制輸出，間接控制芯片UC3842反饋端的電阻網(wǎng)絡(luò)。由開關(guān)電源輸出端取樣電阻取得取樣電后送往ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由單片機 P0口接收數(shù)據(jù)并進行計算處理，然后復(fù)用P0 口經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出到UC3842開關(guān)電源模塊反饋端，UC3842通過調(diào)整PWM輸出，從而實現(xiàn)最終的穩(wěn)定電壓輸出。單片機控制部分電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在單片機控制部分中，主要由ADC0809進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過單片機處理后數(shù)據(jù)顯示在LCD上，再經(jīng)過DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換，調(diào)整輸出電壓，直到電壓穩(wěn)定在預(yù)定值上。單片機P2.7和P2.6用于循環(huán)檢測按鍵

11、輸入，如有按鍵輸入，則經(jīng)處理后送 LCD顯示，用于設(shè)置穩(wěn)壓數(shù)據(jù)。中斷口INTO 口檢測電源輸出過流信號，過流時則由P3.6輸出控制繼電器斷開，防止負載過大而損壞電源。3#圖4 單片機控制部分電路結(jié)構(gòu)圖3.5重要元器件的參數(shù)計算單片機參與控制的BOOST開關(guān)電源電路圖如圖5所示。由圖5所設(shè)計的電源輸出Vout結(jié)合UC3842SDATASHEEF in Applicatio n Noet 中的計算手冊如下式：out2.5R1Vdac - 2 .5Rdac)R22.5(1)outR2DACoutR dac1 I-FeedBack#R1UC3842芯片圖5單片機參與控制的BOOST開關(guān)電源電路圖顯然，

12、當(dāng)DAC輸出Vdac變化時，Vout隨之改變電壓。在穩(wěn)態(tài)工作下，流過R1的電流恒為2.5/R1。同時DAC輸出Vdac電壓范圍為05 V。設(shè)開關(guān)電源的電壓調(diào)整范圍為2838 V，則電壓變化幅Dout =38-28=10V。所以R2與Rdac的比值滿足：outR dac#即：R2 =2 Rdac，設(shè)在沒有DAC輸出Vdac電壓的作用下，Vout=33 V ,貝UVoutR2 亠 R1out 2-(3)2.5 R1即: R2 =12.2漢尺，令 Rdac =8k Q,由上述式(1 )、( 2)得：Ri=1.3k Q、R2=16k Q。綜上述：當(dāng)Rdac =8k Q、Ri=1.3K Q、R2=16k

13、 Q, DAC輸出Vdac電壓范圍為05 V時，開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓在28v38v范圍內(nèi)可調(diào)。且DAC輸出每上升電壓 AU，將引起開關(guān)電源輸出電壓下降 2AU。DAC08032 為8-bit的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，DAC輸出電壓分辨率5/255疋0.019 6 V所以開關(guān)電源輸出最小調(diào)節(jié)量為 2U =0.039 2 V。4開關(guān)電源的軟件設(shè)計4.1開關(guān)電源的軟件開關(guān)電源的軟件部分包括：主程序、中斷子程序、LCD顯示和按鍵子程序、ADC0809轉(zhuǎn)換子程序和DAC0832轉(zhuǎn)換子程序。主程序完成系統(tǒng)的初始化，并同時包括調(diào)用中斷子程序、顯示和按鍵子程序等各子程序共同完 成開關(guān)電源控制和信號處理，同時具有按鍵輸

14、入設(shè)置和輸出電壓顯示功能。主程序流程圖如圖5所示。在主程序中，開始先斷開繼電器 =1，進行一些必要的AD和LCD程序初始化，然后閉合繼電器，接通輸出 電路，最后在AD端口上讀入數(shù)據(jù)并把經(jīng)過誤差矯正后的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。其余程序由主程序進行跳轉(zhuǎn)或是進行中斷調(diào)用。圖5開關(guān)電源主程序流程圖4.2軟件誤差計算與削除誤差當(dāng)單片機檢測到開關(guān)電源輸出電壓與設(shè)定的電壓存在誤差時，為了削除誤差，我們可以引用PID控制理論，PI算法的比例項能較好地削除瞬態(tài)干擾所引起的誤差，積分項用于削除系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，由于差分運算可能受干擾的影響而使系統(tǒng)的穩(wěn)壓性下降，因此我們用PI算法來實現(xiàn)削除誤差。由PI控制原理

15、可知：=U = a p exp( t) ai _-：exp(t)(4)n -N .1LU = a p exp( n) ' ai(n)n -N數(shù)字序列運算表達式為:exp( n)二 V°ut -Vset(6)Vset-單片機設(shè)定的電壓。式中 U-輸出改變量，ap-比例系數(shù)，a-積分系數(shù)，exp （n）為第n次采集的誤差項 。由于單片機內(nèi)的存量有限，不能進行無限個誤差序列的積分，所以我們用前8個誤差序列的累加代替積分項。在本系統(tǒng)中設(shè)定a =1/8。由于單片機較快地執(zhí)行算法，我們用二進制數(shù)右移實現(xiàn)了乘除法計算。5實驗結(jié)果與結(jié)論5.1實驗結(jié)果本課題制作一臺BOOST型拓撲方式的DC-

16、DC開關(guān)電源實驗樣機，同時對實驗結(jié)果進行測試，結(jié)果如下：測試條件：交流18 V輸入輸出電壓3036V。測試 1 :示波器掃描速度 2, 50 mV/div , Vset=36 V , Rl=180 Q 紋波系數(shù)1 X 50=50 mV測試 2 :示波器掃描速度 250 mV/div , Vset =36 V , Rl =45.3 0,紋波系數(shù)1.3 X 50 =65mV測試 3 :示波器掃描速度 0.5 ms, 100 mV/div , Vset =36 V , Rl =19.2 0 紋波系數(shù)1 X 100 =100mV=V。36 X1.89.2183.36= 79.5%(6)轉(zhuǎn)換效率：5結(jié)束

17、語電子設(shè)備離不開電源，電源是電子設(shè)備的重要組成部分，電源的質(zhì)量直接影響開關(guān)電子設(shè)備工作的可靠 性。本文以boost開關(guān)穩(wěn)壓電源為例，闡述了開關(guān)電源設(shè)計所應(yīng)注意的問題，對分析結(jié)果進行驗證。系統(tǒng)的開 關(guān)變換器的工作原理使用的是PWM （即脈寬調(diào)制法），這種方式中，電子開關(guān)按外加的控制脈沖信號而通斷，與本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)，稱為硬開關(guān)。硬開關(guān)工作方式由于在開通和關(guān)斷的過程中，開關(guān) 上同時存在電壓、電流，損耗比較大。為了克服這種損耗，可以用軟開關(guān)來代替上述的硬開關(guān)，軟開關(guān)是使 開關(guān)在兩端電壓為零或電流為零的情況下開通或截止，損耗理想值為零。但是目前軟開關(guān)技術(shù)的穩(wěn)定性和 ASIC芯片有待研究，所以，利用這種技術(shù)的零電壓開通（ZVS）和零電流關(guān)斷（ZCS ）己經(jīng)成為研究的熱門。參考文獻：1 李雅軒，楊秀美，