全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽論文

1、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源編號(hào)E甲0512學(xué)校青島大學(xué)學(xué)生劉剛吳新明王悅隊(duì)指導(dǎo)教師劉丹趙巖嶺王貞一、方案論證1.1.1 系統(tǒng)總體方案論證1.1.2 DCDC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇及論證21.3 PWM控制芯片的選擇3.二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.2.1 DCDC主回路的設(shè)計(jì)3.2.1.1整流橋的選擇3.2.1.2濾波電容的選擇3.2.1.3開(kāi)關(guān)管的選擇3.2.1.4開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)3.2.1.5快恢復(fù)二極管的選擇.42.1.6輸出濾波器的選擇4.2.2 PWM控制回路的設(shè)計(jì)4.2.3單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)5.2.3.1鍵盤模塊和顯示模塊的設(shè)計(jì)52.3.2語(yǔ)音電路功能的設(shè)計(jì)5.2.4 光電耦合電路的設(shè)計(jì)5.2.5 電流采

2、集電路的設(shè)計(jì)5.三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.四、測(cè)試方法6.五、結(jié)論6.本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)和PWM控制芯片構(gòu)成的控制電路和半橋式變換器構(gòu)成主回路，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓可調(diào)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤或步進(jìn)設(shè)定電壓值，并可以通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示設(shè)定電壓、輸出電壓、輸出電流和誤差。另外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了掉電保護(hù)、故障語(yǔ)音報(bào)警和故障排除后的自恢復(fù)功能。系統(tǒng)主要由低頻整流濾波、半橋式變換器、開(kāi)關(guān)變壓器、高頻整流濾波、PWM控制模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)采集模塊、光電隔離模塊等部分構(gòu)成。該系統(tǒng)輸出電壓調(diào)整范圍寬、穩(wěn)定性高；輸出功率高；帶負(fù)載能力強(qiáng)；性能安全可靠、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)PWM控制半橋式變換器開(kāi)

3、關(guān)變壓器、方案論證1.1系統(tǒng)總體方案論證開(kāi)關(guān)電源因?yàn)槠渚哂泄男　⑿矢?、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)日益得到廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展的趨勢(shì)是不斷提高輸出效率和輸出功率。要提高輸出的效率，必須提高電源的開(kāi)關(guān)頻率。這就對(duì)電路中其它器件的頻率特性提出了更高的要求。可控的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源重要的設(shè)計(jì)方案有以下兩種：方案一：基丁FPGA的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的原理，經(jīng)AC/DC/DC變換過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓的功能。其工作過(guò)程如下：市電經(jīng)隔離變壓器降壓后，通過(guò)整流橋整流，電容器濾波，變成平穩(wěn)的直流電，完成AC/DC的變換過(guò)程；通過(guò)由FPGA產(chǎn)生PWM調(diào)制波控制開(kāi)關(guān)管的通斷，輸出高頻

4、的直流脈沖，經(jīng)儲(chǔ)能電感平波、電容高頻濾波后，輸出可調(diào)的直流電壓。如圖1.1所示。圖1.1基于FPGA的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理框圖方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)和開(kāi)關(guān)電源專用PWM芯片相結(jié)合的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)方案一中AC/DC/DC的設(shè)計(jì)思路，使用單片機(jī)與專用的PWM調(diào)制芯片相結(jié)合的方式來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通。不斷檢測(cè)電源的輸出電壓，并將采集的輸出電壓信號(hào)分為兩路：一路直接反饋到PWM集成芯片的反饋輸入端，構(gòu)成連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)；另一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理。根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，調(diào)整D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，控制PWM芯片，間接控制電源工作。作為輔助的反饋調(diào)節(jié)。另外，還可以通過(guò)對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，輸

5、入到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。如圖1.2所示圖1.2單片機(jī)和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓專用PWM芯片相結(jié)合的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理框圖以上兩個(gè)萬(wàn)案中，萬(wàn)案一使用FPGA使用的是離散數(shù)字PWM調(diào)制萬(wàn)式，所以輸出的PWM的最高頻率只能達(dá)到25kHz,輸出電壓紋波較大，影響輸出電壓的指標(biāo)，故難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而方案二采用雙閉環(huán)控制方式，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到100kHz,輸出電壓穩(wěn)定，紋波成分少，能夠達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求。因此，選擇r->0-0本系統(tǒng)的原理框圖如圖1.3所示：0220V隔離變壓器整流濾波開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)變壓器整流濾波V3隔離電源電壓采樣電流米樣光電隔離隔離電源D/AA/D1MCUA/D2圖1.3系統(tǒng)原理框圖DCDC主回

6、路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇及論證方案一：采用全橋變換器拓?fù)洌鐖D1.4所示。在全橋電路中，其變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在直通問(wèn)題，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路。另外，使用的開(kāi)關(guān)管多，功率損耗較大；圖1.4全橋變換器拓?fù)鋱D圖1.5半橋變換器拓?fù)鋱D方案二：采用半橋變換器拓?fù)?，如圖1.5所示。在半橋電路中，對(duì)使用的功率開(kāi)關(guān)管耐壓要求更低，開(kāi)關(guān)管的飽和壓降減少到了最小，對(duì)輸入濾波電容使用電壓要求也較低。更重要的是，半橋電路較之全橋電路使用的開(kāi)關(guān)管要少，損耗更少，在保證滿足輸出功率要求的前提下，利丁效率的提高。鑒丁其優(yōu)點(diǎn)，選擇方案二。1.2 PWM控制芯片的選擇PWM控制芯片的選擇主要考慮輸出的

7、PWM信號(hào)的頻率和幅度，能否達(dá)到效率和開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管的要求。PWM信號(hào)的頻率越高，效率越高，并且設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)變壓器的體積越小。目前比較常用的PWM控制芯片的有TL494和SG3525oTL494內(nèi)有兩個(gè)誤差放大器，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓模式的控制和電流模式控制，但在本系統(tǒng)中不能發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)，且沒(méi)有外部強(qiáng)制封鎖端，不便丁實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)。SG3525具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級(jí)，具有欠壓保護(hù)和外部封鎖功能，能方便的實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)，能輸出兩路波形一致、相位差為180度的PWM信號(hào)，結(jié)合開(kāi)關(guān)電路，能有效地減小輸出電壓的紋波。輸出的PWM信號(hào)的頻率在100400kHz之間可調(diào)，信號(hào)的幅度可通過(guò)外接電源

8、Vcc控制，達(dá)到開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管的要求。另外，SG3525還可以將輸出電壓采樣反饋，形成硬件閉環(huán)提高了穩(wěn)壓精度。綜上考慮，本系統(tǒng)選擇方案二。二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1DCDC主回路的設(shè)計(jì)2.1.1整流橋的選擇整流橋的選擇主要考慮流過(guò)二極管的平均電流和耐壓值要滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)選擇的是RS1010G,該整流橋的平均電流為10A，耐壓為50V。2.1.2濾波電容的選擇濾波電容的選擇主要考慮極性濾波電容的耐壓要滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)選擇的是耐壓為50V，容值為4700F的極性電容。2.1.3開(kāi)關(guān)管的選擇開(kāi)關(guān)管的選擇主要考慮其開(kāi)關(guān)速度、管壓降和允許通過(guò)的電流等指標(biāo)。本系統(tǒng)選擇了IGBTGTP20N60C3作為

9、開(kāi)關(guān)管，GTP20N60C3為電壓型開(kāi)關(guān)管，其驅(qū)動(dòng)功率較小，開(kāi)關(guān)速度可達(dá)100KHz,允許通過(guò)電流較大能達(dá)到20A,導(dǎo)通管壓降為0.7V,，性能優(yōu)于其它開(kāi)關(guān)管，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.1.4開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工作頻率為：fs100kHz，則T1/fs1/100kHz10s,為了達(dá)到要求的輸出效率，變壓器的效率選為90%,留有一定的余地，輸出功率最高選為Po135W。選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其材2料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm0.15T，電流形'度j=400A/cmo1、磁芯的選擇對(duì)丁半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)，磁芯的幾何面積S和窗口面積4Q與輸出功率P

10、o滿足關(guān)系SQ2fB、。10KcKu一，其中，Kc1,Ku0.3。cu代入得SQ0.556cm4。查手冊(cè)可知，EE42EB芯的S2_21.78cm,Q1.0286cm,則SQ1.0831cm4,SQ值大丁計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求。2、計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)UiminUdmin21.6V,Upmin10.8V,tonmax2tDmaxNiUpmintonmax2BmS1-100.921041,4.5s,UoUomaxUfUz45.9,DmaxN2Ni5。3、計(jì)算繞組導(dǎo)線線徑穿透深度660.209mm，允許最大線徑dmax.fs20.418mm。副邊繞組導(dǎo)線截面積為Ac2ioJ0.75mm2，選用d=0.

11、59mm的漆包線，則N2A_7E(d)27.57,取8股并繞。原邊繞組導(dǎo)線截面積為Ac1業(yè)二UiJ13.7mm2,取14股并繞。2.1.5快恢復(fù)二極管的選擇本系統(tǒng)輸出側(cè)采用全橋式濾波電路。管的平均電流和耐壓值要滿足設(shè)計(jì)要求。均電流為3A,耐壓為1000V。2.1.6輸出濾波器的選擇本系統(tǒng)米用LC兀型濾波，由耐壓H電感構(gòu)成。快恢復(fù)二極管的選擇主要考慮流過(guò)二極本系統(tǒng)選擇的是FR307,該整流橋的平50V,容值為1000HF的極性電容和33H22.2PWM控制回路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用SG3525來(lái)構(gòu)成PWM控制電路。要求輸出頻率為100kHz,根據(jù)公式f10.7RtCt計(jì)算，電容Ct3.3nF,電阻Rt

12、選用10kQ可調(diào)精密電位器調(diào)整實(shí)現(xiàn)；15和13腳選擇12V電源分壓為8V,使輸出PWM波幅度為7V左右,滿足開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通要求。電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)見(jiàn)附件一。單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)2.3.1鍵盤模塊和顯示模塊的設(shè)計(jì)鍵盤模塊采用申行接口芯片HD7279,為降低功耗選擇了液晶OCMJ4*8C作為顯示器件。電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)見(jiàn)附件一。2.3.2語(yǔ)音電路功能的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了報(bào)警語(yǔ)音提示功能。采用了凌陽(yáng)公司SPCE061A,工作在2.46.0V范圍內(nèi)，最大輸出功率可達(dá)700mW,其具有強(qiáng)大的語(yǔ)音處理功能，語(yǔ)音信號(hào)從X1輸入端輸入，帶自動(dòng)增益控制，語(yǔ)音輸出接口與主CPU采用申行控制。該電路可以在單片機(jī)的控制下

13、實(shí)現(xiàn)電壓值和過(guò)流故障的語(yǔ)音提示。2.3 光電耦合電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的線性光電耦合器選用了SLC800,該光耦具有線性度好，增益可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。電路結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2光電耦合電路2.4 電流采集電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的電流采集選用了單電源供電的AD623，電路結(jié)構(gòu)如圖2.3所示圖2.3電流采集電路三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序流程圖見(jiàn)附件二，中斷子程序流程圖見(jiàn)附件三四、測(cè)試方法1、測(cè)試輸出電壓的范圍從鍵盤輸入設(shè)定電壓值，用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)量輸出電壓的調(diào)整范圍。2、測(cè)試輸出電流的范圍調(diào)整負(fù)載，用萬(wàn)用表直流電流檔測(cè)輸出電流的調(diào)整范圍。3、測(cè)試輸入電壓調(diào)整率設(shè)置可調(diào)負(fù)載裝置，使電源滿載輸出。設(shè)定值為3

14、6V調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使輸入電壓為下限15V,用萬(wàn)用表測(cè)試直流電壓檔測(cè)量輸出電壓為U1;調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使輸入電壓為額定值18V,用萬(wàn)用表測(cè)試直流電壓檔測(cè)量輸出電壓為U0;調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使輸入電壓為上限21V,用萬(wàn)用表測(cè)試直流電壓檔測(cè)量輸出電壓為U2;U=maxU1,U2貝U:電壓調(diào)整率Su=(U-U0)/U0X00%4、測(cè)試負(fù)載調(diào)整率輸入電壓為額定值18V調(diào)節(jié)負(fù)載，使輸出電流取最小值，用萬(wàn)用表直流電流檔測(cè)輸出電流為U1;調(diào)節(jié)負(fù)載為50%滿載，用萬(wàn)用表直流電流檔測(cè)輸出電流為U0;調(diào)節(jié)負(fù)載為滿載，記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓U2;U=maxU1,U2貝U:負(fù)載調(diào)整率=(U-U0)/U0X00%5、測(cè)試輸出噪聲紋波電壓

15、峰-峰值在滿載情況下(U2=18V,Uo=36V,Io=2A)，用20MHz的模擬示波器，測(cè)量Uopp6、測(cè)試DC-DC變換器的效率7用萬(wàn)用表測(cè)量DC-DC變換器的輸入-輸出的電壓電流，Iin,Uin,Io,Uo,根據(jù)r=(IoUo)/(IinUin)計(jì)算效率。7、測(cè)試過(guò)流保護(hù)功能調(diào)整負(fù)載，使Io達(dá)到過(guò)電流2.5A,測(cè)試電源是否自動(dòng)關(guān)斷。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)附件四五、結(jié)論本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可控開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo)。可調(diào)電壓的范圍可以達(dá)到2938V;電流范圍達(dá)到02.5A;電壓調(diào)整率小于0.2%;負(fù)載調(diào)整率小于0.5%;紋波小于0.6V;效率可達(dá)到87%功能方面可以通過(guò)鍵盤設(shè)定電壓值，也可以

16、進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整；可以進(jìn)行電壓電流的測(cè)量和顯示；實(shí)現(xiàn)了過(guò)流故障的語(yǔ)音報(bào)警功能，并能在故障排除后自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠。以后可以考慮選擇采樣頻率更高的A/D轉(zhuǎn)換器，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的調(diào)整速度，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。附件一系統(tǒng)電路原理圖二L遍FIT，rTl,跖1in:Wl-"Is山虱1E_llill一flML+7riprimnII皿心mdmg|IQ如wiaVTIFPitOTT11在CICJOET1<+MOSwOffIKiOTIB*iUW次TrDHrw4io.+xTT3nTi粉】神lax;riLQ?K附件二系統(tǒng)程序流程圖附件三中斷子程序流程圖全國(guó)大學(xué)生電子

17、設(shè)計(jì)大賽論文附件四測(cè)試數(shù)據(jù)1、測(cè)試輸出電壓的范圍鍵盤設(shè)定值(V)30313233343536實(shí)測(cè)電壓值(V)30.431.232.333.434.335.436.5誤差率(%)r1.3r111.211.11.42、測(cè)試輸出電流的范圍輸出電壓值(V)30313233343536輸出電流范圍(A)02.402.102.102.302.202.402.33、測(cè)試輸入電壓調(diào)整率設(shè)定電壓值(V)30313233343536U1(V)30.0931.0131.9833.0834.0635.0636.05U0(V)r30.1r31.0332.0233.134.0935.0836.06U2(V)30.1531.0632.0533.1434.1135.1236.1Su(%)r0.16r0.090.120.120.080.110.114、測(cè)試負(fù)載調(diào)整率設(shè)定電壓值(V)30313233343536U1(V)30.0831.0231.9633.0634.0435.0536.02U0(V)r30.1r31.0332.0233.134.0935.0836.06U2(V)30.1531.0732.0433.1234.1435.1536.11Su(%)0.160.120.180.120.150.190.145、測(cè)試輸出噪聲紋波電壓峰-峰值輸出電壓值(V)30.131.131.933.234.