開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、編號：E甲09042007全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 題目E：開關(guān)穩(wěn)壓電源參賽學(xué)生： 李泉泉、滿中甜、董學(xué)峰指導(dǎo)教師： 劉曉軍、鄭亞民、周強學(xué) 校： 山東大學(xué)威海分校院 系： 信息工程學(xué)院2007年9月6日開關(guān)穩(wěn)壓電源（E題）摘 要該電源以單端反激式DC-DC變換器為核心。市電通過自耦式調(diào)壓器，隔離變壓器，整流濾波后產(chǎn)生直流電壓，經(jīng)DC-DC變換得到題目所需輸出電壓，實現(xiàn)了開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計。DC-DC變換器采用脈寬調(diào)制器（PWM）UC3842，通過調(diào)節(jié)占空因數(shù)使得輸出電壓UO在30V36V范圍內(nèi)可調(diào)；微控制器與鍵盤顯示構(gòu)成了控制顯示模塊，能對輸出電壓進行鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整，并顯示輸出電壓、電流的

2、測量和數(shù)字顯示功能，形成了良好的人機界面。關(guān)鍵詞：DC-DC變換器，脈寬調(diào)制器（PWM）1 方案論證1.1 DC-DC主回路拓撲適合本系統(tǒng)的DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)為單端反激式DC-DC變換器，利用UC3824芯片作為控制核心，該芯片抗電壓波動能力強，并可使負載調(diào)整率得到明顯改善，而且其頻響特性好，穩(wěn)定裕度大，過流限制特性好，具有過流保護和欠壓鎖定功能。1.2 控制方法及實現(xiàn)方案手動輸出電壓調(diào)節(jié)采用電位器改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦砀淖冚敵鲭妷?，使其滿足題目要求，該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便。鍵盤設(shè)定通過單片機改變模擬開關(guān)接通通道，選取取樣回路的電阻節(jié)點位置，改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦砀淖冚敵?/p>

3、電壓，實現(xiàn)發(fā)揮部分的鍵盤設(shè)定功能。1.3 提高效率的方法及實現(xiàn)方案在DC-DC變換器中，主要消耗功率的元件有主回路的開關(guān)管、續(xù)流二極管、儲能電感等部件。本設(shè)計中提高效率的措施主要有：通過增加電感線徑減小電感阻值；采用低內(nèi)阻的高效率MOSFET作為主回路的開關(guān)元件；采用高速低正相壓降的肖特基二極管降低其功耗。2 電路設(shè)計與參數(shù)計算2.1 電路整體設(shè)計本設(shè)計以DC-DC變換器為核心，輔以隔離變壓、整流濾波、控制顯示等功能模塊，完成開關(guān)穩(wěn)壓電源各項功能（見圖1 系統(tǒng)框圖）?？刂骑@示圖1 系統(tǒng)框圖通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變占空比實現(xiàn)輸出電壓的變化，使其滿足題目要求（見圖2 電路原理圖）。圖2 電路原理圖2

4、.2 主回路器件的選擇及參數(shù)計算開關(guān)電路核心電路（見圖3）。圖3開關(guān)電路核心電路在主回路的器件選擇中主要是電感和電容，其中電感的選擇方法計算如下：各參數(shù)定義：Ioff：場效應(yīng)管關(guān)閉時流經(jīng)電感的電流Ion：場效應(yīng)管導(dǎo)通時流經(jīng)電感的電流Vin：經(jīng)整流濾波后輸出電壓Vo：輸出電壓VL：電感兩端電壓T： 開關(guān)周期Ton：一個周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通時間Toff：一個周期內(nèi)開關(guān)關(guān)閉時間D：占空因數(shù)流經(jīng)電感的電流表達式：i(t)=i(0)+VL/LdtMOSFET導(dǎo)通時流經(jīng)電感的電流：iL=Ioff+VL/Ldt=Ioff+VL*t/LMOSFET關(guān)閉時流經(jīng)電感的電流：iL=Ion-(Vo-Vin)/Ldt=Ion

5、-(Vo-Vin)*t/L，則：Ion=Ioff+Vin*Ton/L(1)Ioff=Ion-(Vo-Vin)*Toff/L(2)由(1)(2)兩式可得：Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)上式即為開關(guān)電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。在導(dǎo)通期間電路消耗的能量為：Eon=P(t)dt=i(t)Vindt=(Ioff+Vin*t/L)Vindt=Pout*T，得:Ioff=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton在開關(guān)電路的導(dǎo)通和關(guān)閉時期，電感的電流應(yīng)是連續(xù)的，需滿足：Ioff>=0則：L>=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf當

6、D=1/2時，Vo=2Vin,上式右邊取最大值，此時：L>=Vo2/32Poutf題目要求：輸入電壓Vin的范圍是15V到21V,輸出電壓Vo的范圍是30V到36V。由于經(jīng)整流濾波后電壓會有所提高，一般滿足：Vinmin=15*1.2V=18VVinmax=21*1.414-1.5=28VVomin=30VVomax=36V于是：Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要達到50%。若取f=100kHz,Iomin=0.1A，則可計算出Lmin的取值可為0.1mH。2.3 控制電路設(shè)計與參數(shù)計算通過調(diào)節(jié)滑動變阻器

7、改變占空比，實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié).為滿足輸出電壓在3036V可調(diào)，則R5、Rw、R6滿足如下方程組VOMAX=VREF1+(R6+RW)/(R5+R6+RW)VOMIN=VREF1+R6/(R5+R6+RW)經(jīng)計算可得R5=27K,Rw=5K,R6=2K保護電路設(shè)計與參數(shù)計算TL3824芯片內(nèi)部有一引腳Isense，外接電阻和電容，即可實現(xiàn)過電流和過電壓保護功能。根據(jù)TL3842的參數(shù)，Isense端的保護電壓為1V，而流過MOSFET的峰值電流位3.8A，由此可計算出電流傳感的電阻為：RS=1V/3.8A0.25另外可取濾波回路的R =1K C=0.1F2.4 數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計使用單個

8、微控制芯片AT89S52就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能，電路簡單，使用方便，性能穩(wěn)定。其原理圖如下所示。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用分任務(wù)模塊式，分別為控制，鍵盤、顯示模塊完成賽題的發(fā)揮要求?？傮w軟件流程圖（見圖2 軟件流程圖） 電網(wǎng)電壓AD0809單片機AT89S51顯示部分置數(shù)V/A檔切換復(fù)位鍵盤82C79圖2 軟件流程圖設(shè)計方法將七個等值的電阻串聯(lián)起來，并用模擬開關(guān)分別與之相連，通過單片機控制模擬開關(guān)，即可調(diào)整脈沖的占空比，從而調(diào)整輸出電壓并實現(xiàn)電壓的步進值為1。把輸出電壓經(jīng)分壓后送到A/D,然后通過數(shù)碼管顯示其電壓值。測電流時只需在輸出端接一個精密電阻，把電流值轉(zhuǎn)化為電壓值然后輸?shù)紸/

9、D轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)碼管顯示其電流值。3 測試方法與數(shù)據(jù)3.1 測試方法測試輸出電流電壓時，采用最大阻值為20的滑動變阻器（10A /200W）作為負載，在額定功率下，用數(shù)字萬用表測量其電壓電流值。測試電壓調(diào)整率時，通過調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器使輸入電壓從15V變到21V，在額定負載下，測量輸出電壓的變化。測試負載調(diào)整率時，在U2=18V的條件下，改變負載阻值使輸出電流從0A變到2A，測量輸出電壓的變化。測試輸出噪聲紋波電壓峰-峰值時，在U2=18V,UO=36V,IO=2A條件下，利用模擬示波器觀察輸出波形。測試DC-DC變換器的效率時，用數(shù)字萬用表測量輸入電壓電流、輸出電壓電流，根據(jù)h=PO/PIN 即

10、可算出DC-DC變換器的效率。測試過流保護時，調(diào)節(jié)負載使輸出電流達到2.5A，用數(shù)字萬用表測其輸出電壓。3.2 測試儀器測試使用的儀器設(shè)備如表1所示表1 測試使用儀器與設(shè)備序號儀器名稱型號、規(guī)格主要技術(shù)指標數(shù)量1模擬示波器GOS605150MHz 12函數(shù)發(fā)生器GFG-8016G2M Hz 13數(shù)字萬用表FLUKE1114位13.3 測試數(shù)據(jù)輸出電流電壓測試通過調(diào)節(jié)滑動變阻器可使輸出電壓在29.58V到36.80V之間變化，其測試數(shù)據(jù)如下所示序號1234567電壓（V）29.5831.0032.0033.0134.0035.0036.00電流（A）1.9992.0001.9982.0012.0

11、021.9901.900電壓調(diào)整率測試輸入電壓15171921輸出電壓35.7035.9036.1036.30電壓調(diào)整率=1.4%，滿足題目基本要求。負載調(diào)整率測試輸出電流0.0000.5001.0001.5002.0002.500輸出電壓36.1036.0535.9535.9035.0010.00負載調(diào)整率=3.05%，滿足題目基本要求。輸出噪聲紋波電壓峰-峰值測試把輸出電壓接到模擬示波器輸入端，從輸出波形大致可以看出輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP=0.6V,滿足題目基本要求。DC-DC變換器的效率測試輸入電壓（V）15.0016.0017.0018.0019.0020.0021.00輸入

12、電流（A）6.8006.0005.5015.2005.0004.8004.600輸出電壓（V）35.9036.0036.0136.0035.9936.0036.07輸出電流（A）1.9902.0102.0001.9981.9801.9002.000效率（%）70.0475.3877.0276.8075.0175.3374.68從上表可看出，當U2=18V,UO=36V,IO=2A時，DC-DC變換器的效率為76.8%，滿足題目基本要求。過流保護功能測試輸出電流（A）2.3002.5002.700輸出電壓（V）15.0010.009.00從上表可以看出，在輸出電流超過2A時，輸出電壓明顯下降，起到過流保護作用。4 測試結(jié)果分析4.1 誤差分析 電阻在溫度上升時阻值會變小，使計算結(jié)果產(chǎn)生偏差。整個電路板由手工焊接完成，其余器件在單面板上