【工程师6】+实践类+开关稳压电源

开关稳压电源

摘  要

该电源以单端反激式DC-DC变换器为核心。市电通过自耦式调压器，隔离变压器，整流滤波后产生直流电压，经DC-DC变换得到题目所需输出电压，实现了开关稳压电源的设计。DC-DC变换器采用脉宽调制器（PWM）UC3842，通过调节占空因数使得输出电压UO在30V～36V范围内可调；微控制器与键盘显示构成了控制显示模块，能对输出电压进行键盘设定和步进调整，并显示输出电压、电流的测量和数字显示功能，形成了良好的人机界面。

关键词：DC-DC变换器，脉宽调制器（PWM）

1         方案论证

1.1       DC-DC主回路拓扑

适合本系统的DC-DC拓扑结构为单端反激式DC-DC变换器，利用UC3824芯片作为控制核心，该芯片抗电压波动能力强，并可使负载调整率得到明显改善，而且其频响特性好，稳定裕度大，过流限制特性好，具有过流保护和欠压锁定功能。

1.2       控制方法及实现方案

手动输出电压调节采用电位器改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，使其满足题目要求，该方案电路结构简单，实现方便。

键盘设定通过单片机改变模拟开关接通通道，选取取样回路的电阻节点位置，改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，实现发挥部分的键盘设定功能。

1.3       提高效率的方法及实现方案

在DC-DC变换器中，主要消耗功率的元件有主回路的开关管、续流二极管、储能电感等部件。本设计中提高效率的措施主要有：

通过增加电感线径减小电感阻值；

采用低内阻的高效率MOSFET作为主回路的开关元件；

采用高速低正相压降的肖特基二极管降低其功耗。

2         电路设计与参数计算

2.1       电路整体设计

本设计以DC-DC变换器为核心，辅以隔离变压、整流滤波、控制显示等功能模块，完成开关稳压电源各项功能（见图1 系统框图）。

控制 显示

图1 系统框图

通过调节滑动变阻器改变占空比实现输出电压的变化，使其满足题目要求（见图2 电路原理图）。

图2 电路原理图

2.2       主回路器件的选择及参数计算

开关电路核心电路（见图3）。

图3开关电路核心电路

在主回路的器件选择中主要是电感和电容，其中电感的选择方法计算如下：

各参数定义：

Ioff：场效应管关闭时流经电感的电流

Ion：场效应管导通时流经电感的电流

Vin：经整流滤波后输出电压

Vo：输出电压

VL：电感两端电压

T：  开关周期

Ton：一个周期内开关导通时间

Toff：一个周期内开关关闭时间

D：占空因数

流经电感的电流表达式：i(t)=i(0)+∫VL/Ldt

MOSFET导通时流经电感的电流：iL=Ioff+∫VL/Ldt=Ioff+VL*t/L

MOSFET关闭时流经电感的电流：iL=Ion-∫(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，则：

Ion=Ioff+Vin*Ton/L                     (1)

Ioff=Ion-(Vo-Vin)*Toff/L               (2)

由(1)(2)两式可得：

Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)

上式即为开关电路的输出电压与输入电压的关系。

在导通期间电路消耗的能量为：

Eon=∫P(t)dt=∫i(t)Vindt=∫(Ioff+Vin*t/L)Vindt= Pout*T，得:

Ioff=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton

在开关电路的导通和关闭时期，电感的电流应是连续的，需满足：Ioff>=0则：L>=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf

当D=1/2时，Vo=2Vin,上式右边取最大值，此时：L>=Vo2/32Poutf

题目要求：输入电压Vin的范围是15V到21V,输出电压Vo的范围是30V到36V。

由于经整流滤波后电压会有所提高，一般满足：

Vinmin=15*1.2V=18V

Vinmax=21*1.414-1.5=28V

Vomin=30V

Vomax=36V

于是：

Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067

Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要达到50%。

若取f=100kHz,Iomin=0.1A，则可计算出Lmin的取值可为0.1mH。

2.3       控制电路设计与参数计算

通过调节滑动变阻器改变占空比，实现输出电压的调节.

为满足输出电压在30~36V可调，则R5、Rw、R6满足如下方程组

VOMAX=VREF[1+(R6+RW)/(R5+R6+RW)]

VOMIN=VREF[1+R6/(R5+R6+RW)]

经计算可得R5=27KΩ,Rw=5KΩ,R6=2KΩ

保护电路设计与参数计算

TL3824芯片内部有一引脚Isense，外接电阻和电容，即可实现过电流和过电压保护功能。

根据TL3842的参数，Isense端的保护电压为1V，而流过MOSFET的峰值电流位3.8A，由此可计算出电流传感的电阻为：

RS=1V/3.8A≈0.25Ω

另外可取滤波回路的

R =1KΩ  C=0.1μF

2.4       数字设定及显示电路的设计

     使用单个微控制芯片AT89S52就能完成键盘输入和LED显示控制两种功能，电路简单，使用方便，性能稳定。其原理图如下所示。

本系统软件设计采用分任务模块式，分别为控制，键盘、显示模块完成赛题的发挥要求。总体软件流程图（见图2 软件流程图） 

SHAPE \* MERGEFORMAT

AD0809

单片机 AT89S51

显示部分

置数

V/A档切换

复位

键盘82C79

图2 软件流程图设计方法

将七个等值的电阻串联起来，并用模拟开关分别与之相连，通过单片机控制模拟开关，即可调整脉冲的占空比，从而调整输出电压并实现电压的步进值为1。把输出电压经分压后送到A/D,然后通过数码管显示其电压值。测电流时只需在输出端接一个精密电阻，把电流值转化为电压值然后输到A/D转换器，通过数码管显示其电流值。

3         测试方法与数据

3.1       测试方法

测试输出电流电压时，采用最大阻值为20Ω的滑动变阻器（10A /200W）作为负载，在额定功率下，用数字万用表测量其电压电流值。

测试电压调整率时，通过调节自耦调压器使输入电压从15V变到21V，在额定负载下，测量输出电压的变化。

测试负载调整率时，在U2=18V的条件下，改变负载阻值使输出电流从0A变到2A，测量输出电压的变化。

测试输出噪声纹波电压峰-峰值时，在U2=18V,UO=36V,IO=2A条件下，利用模拟示波器观察输出波形。

测试DC-DC变换器的效率时，用数字万用表测量输入电压电流、输出电压电流，根据h=PO/PIN即可算出DC-DC变换器的效率。

测试过流保护时，调节负载使输出电流达到2.5A，用数字万用表测其输出电压。

3.2       测试仪器

测试使用的仪器设备如表1所示

表1 测试使用仪器与设备

3.3       测试数据

输出电流电压测试

通过调节滑动变阻器可使输出电压在29.58V到36.80V之间变化，其测试数据如下所示

序号

1

2

3

4

5

6

7

电压（V）

29.58

31.00

32.00

33.01

34.00

35.00

36.00

电流（A）

1.999

2.000

1.998

2.001

2.002

1.990

1.900

电压调整率测试    

输入电压

15

17

19

21

输出电压

35.70

35.90

36.10

36.30

电压调整率==1.4%，满足题目基本要求。

负载调整率测试

输出电流

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

输出电压

36.10

36.05

35.95

35.90

35.00

10.00

负载调整率==3.05%，满足题目基本要求。

输出噪声纹波电压峰-峰值测试

把输出电压接到模拟示波器输入端，从输出波形大致可以看出输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP=0.6V,满足题目基本要求。

DC-DC变换器的效率测试

输入电压（V）

15.00

16.00

17.00

18.00

19.00

20.00

21.00

输入电流（A）

6.800

6.000

5.501

5.200

5.000

4.800

4.600

输出电压（V）

35.90

36.00

36.01

36.00

35.99

36.00

36.07

输出电流（A）

1.990

2.010

2.000

1.998

1.980

1.900

2.000

效率（%）

70.04

75.38

77.02

76.80

75.01

75.33

74.68

从上表可看出，当U2=18V,UO=36V,IO=2A时，DC-DC变换器的效率为76.8%，满足题目基本要求。

过流保护功能测试

输出电流（A）

2.300

2.500

2.700

输出电压（V）

15.00

10.00

9.00

从上表可以看出，在输出电流超过2A时，输出电压明显下降，起到过流保护作用。

4         测试结果分析

4.1       误差分析

电阻在温度上升时阻值会变小，使计算结果产生偏差。

整个电路板由手工焊接完成，其余器件在单面板上完成布局和布线，无法避免线路之间与外界的电磁干扰，从而导致一定的误差。

4.2       改进措施

选用温度变化系数相对较小的电阻，减小计算结果产生的误差。

5         参考文献

[1] 黄智伟 主编，王彦、陈文光、朱卫华 编著《全国大学生电子设计竞赛训练教程》电子工业出版社。

[2] 童诗白、华成英 主编。《模拟电子技术基础》。高等教育出版社，2001。

[3] 郑国川、李洪英 编著。《实用开关电源技术》。福建科学技术出版社，2004。