開關電源設計報告

1、2009全國大學生電子設計競賽設計報告 漯河職業(yè)技術學院題目；開關穩(wěn)壓電源學生；王志，王春彥，二OO九年 八 月 十 日開關穩(wěn)壓電源摘要： 以凌陽16位單片機為控制核心，具有電壓可預置；可步進調整；輸出電壓、預置電壓、輸出電流同時顯示；過流保護及自動恢復功能。并較好的完成了基本和發(fā)揮部分的各項指標。另外又增加了30V-36V精確調整、語音播報及人性化的聲光警示功能。系統(tǒng)主要包括：凌陽SPCE061A精簡開發(fā)板、鍵盤與LCD顯示電路、整流濾波電路、開關控制電路、反饋控制電路等。關鍵詞：SPCE061A，TL494，閉環(huán)控制，PWMAbstract： This paper designs a sw

2、itch power supply, using Sunplus SPCE061A as centre of the control, which can set the voltage in advance, adjust the value in step, display the output voltage, the pre-set voltage and the output current at the same time and has the sage guard for the current. Both the basic and the advanced requirem

3、ents have been finished perfectly. In addition, we add some extra functions such as adjusting the voltage from 30V to 60V exactly, voice broadcasting and warning function using sound and light. The system contains Sunplus SPCE061A, keyboard and LCD circuit, switch control circuit, commutation and fi

4、ltering circuit, feedback control circuit, and so on.Keyword: SPCE061A, TL494, closed loop control, PWM1系統(tǒng)框圖圖1系統(tǒng)框圖2 方案比較與論證2.1 DC-DC變換電路的選擇方案一：單端正激式變換器該種方式電路結構簡單，但其變壓器利用率低且結構復雜，不適合自己繞制,體積也較大。方案二: 雙管正激式變換器雙管正激變換器由于具有開關電壓應力低，內在抗橋臂直通能力強，可靠性高,變壓器利用率高體積小等優(yōu)點，被廣泛應用于高輸入電壓的中、大功率等級的電源產品中。因此系統(tǒng)采用方案二。2.2 控制方案的選擇

5、方案一：采用AT89C51作為控制器采用AT89C51單片機進行控制。AT89C51價格低廉，結構簡單,且資料豐富；但是51單片機系統(tǒng)資源有限，8位控制器，運算能力有限,且沒有內置AD/DA轉換器，需要外接大量外圍電路，編程需要價格昂貴的編程器及仿真器，不便于系統(tǒng)開發(fā)。方案二：采用凌陽SPCE061A作為控制器采用SPCE061A單片機進行控制。SPCE061A凌陽單片機具有強大功能的16位微控制器，它內部集成7路10位ADC和2通道10位DAC，可以直接用于電流電壓采集，以及數字控制輸出；且其存儲空間大，能配合LCD液晶顯示的字模數據存儲及語音的存儲。采用SPCE061A單片機，能將相當一部

6、分外圍器件結合到一起，使用方便，抗干擾性能提高。本設計需要使用的軟件資源比較簡單，只需要完成數控部分、鍵盤輸入、語音播報以及顯示輸出功能。系統(tǒng)采用方案三2.3 PWM直接驅動與模擬圖騰柱驅動的論證方案一：TL494PWM輸出直接驅動 TL494內置功率驅動晶體管，可提供500ms驅動能力，足以滿足開關管（IRF3205）的驅動要求，但是從效率考慮，不采用直接驅動。方案二：模擬圖騰柱輸出驅動由于采用模擬圖騰柱驅動電路，使PWM波的上升下降沿時間短，降低其在開關管上的功耗，從而提高其輸出效率。故采用方案二。2.4 PWM產生方式方案一：由單片機直接產生 SPCE061A單片機可以直接輸出可調PWM

7、波，雖然應用簡單，但是其輸出脈寬最小調節(jié)范圍較大，不利于精確控制。方案二：由三角波比較產生 采用三角波與可調電壓經比較器比較，也可以實現脈寬可調，但是驅動能力有限，用運算放大后，可以滿足要求，但是電路結構復雜，不便于制作。方案三：使用PWM集成控制器 使用單芯片的PWM集成控制器，電路結構簡單，便于用單片機進行控制，配合模擬圖騰柱電路，驅動開關管較為理想。故系統(tǒng)采用方案三。2.5電流取樣電阻的選擇方案產生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測量電流一般采用的方法是測量電流流經電阻兩端的電壓進行間接計算得到的。因此在產生電流或者測量電流值時，取樣電阻的選擇非常重要。方案一：采用普通電阻在電流比較

8、小的情況下，普通的1/4W 或者1/8W 的電阻可以被用作電流測量，但是本題需要測量的是最大輸出電流需要達到2A的電源。因此即使是比較小的電阻，通過2A 電流時功率也會大大超過普通電阻的額定功率，電阻將被燒斷。因此在本系統(tǒng)中，測量電流的取樣電阻不能使用普通電阻。方案二：采用大功率電阻為了滿足流過大電流的要求，可以采用大功率電阻，通過2A 電流時一定不會被燒斷。但是此時流過的大電流將會使電阻大量發(fā)熱，導致電阻溫度急劇上升，將產生很大的測量誤差。因此不能使用溫度漂移嚴重的普通大功率電阻。方案三：采用康錳銅電阻絲康錳銅電阻絲是電流測量中很常用取樣電阻，其特點在于溫度漂移量非常小。經過測試，在1的康錳

9、銅電阻絲上通過約2A 電流，由于產生的熱量引起的升溫，只會引起0.02左右的阻值變化，對電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一方面，1的康錳銅電阻絲約長1m，由于和外界接觸面積大，即使通過大電流也能很快的散熱，進一步的減小溫度漂移帶來的影響。鑒于上面分析，本設計采用方案三。3系統(tǒng)硬件設計與實現3.1系統(tǒng)硬件的整體組成部分 系統(tǒng)硬件整體分為電源電路和控制電路兩部分，通過單片機實現電源輸出的采樣及顯示，過流保護，及閉環(huán)控制。兩部的有機結合，將單調的電源變得更加智能化，人性化。 電源電路工作原理，220V市電首先進入150W變壓器，18V 交流輸出，經過大功率整流橋整流，后又經三個4700uf的電容并聯濾

10、波，輸出大功率直流電源，通過雙管正激式結構，采用TL494作為PWM控制芯片，產生196K 交流電壓，再經升壓變壓器，整流濾波電路，使其輸出要求值電壓。電壓調節(jié)為脈寬調制型，并引入反饋調節(jié)，使主電路輸出更加穩(wěn)定。下圖為DC-DC主回路的拓撲結構圖2 DC-DC主回路拓撲結構控制電路采用凌陽61單片機，加外圍采樣電路，PWM產生控制電路，鍵盤、顯示電路及一些指示電路，組成一個完整閉環(huán)控制系統(tǒng)。電源由于凌陽SPCE061A內置AD/DA,不需要設計此部分電路；外圍采樣電路采用比例電壓采樣電路，康銅電阻電流采樣電路，可以較準確地采集到電源輸出信號；PWM產生及控制采用TL494加單片機控制方式 ；顯

11、示電路采用SPLC501液晶模組；鍵盤為四按鍵式，設置鍵、確認鍵、上調整鍵、下調整鍵；另外加有輸入指示燈，輸出指示燈，過流警示燈。整個系統(tǒng)經過測試，單元電路能夠很好的協調工作。3.2各單元電路的設計3.2.1主電源電路的設計圖3主電源電路圖在進行電源設計初期，考慮到最大電流輸出達2A，及具有2.5A動作電流的功率要求，一切器件均以大功率要求進行計算設計。下表為部分器件選用的參數。 器件名稱器件型號功率參數隔離變壓器BK-150 150W整流或二極管 Kbpc351035A電解濾波電容 4700uF(三個并聯)滑動變阻器J2354100/3A開關管IRF3205110A表1器件參數表開關電路的設

12、計，開關電路采用雙管正激式變換設計，其屬于雙端式變換電路它的高頻變壓器工作于磁滯回線兩側，是一種設計簡單，工作合理的線路，適用范圍比較廣，MOSFET開關管（IRF3205）由基級驅動電路激勵交替導通與截至輸入直流電壓變換成高頻方波交流電壓，很好地解決了耐壓級飽和壓絳問題。驅動電路采用TL494，是一種衡頻脈寬調制控制器，內置線性鋸齒波振蕩器震蕩頻率可通過一個外部的電阻和一個電容進行調節(jié)，其震蕩頻率計算公式為：系統(tǒng)使用的電阻為5.1k, 電容為0.001uF,故其震蕩頻率為196KHz.芯片內部內置誤差放大器內置5V基準參考電壓，對于PWM脈寬調制非常方便。但是其輸出不為圖騰柱輸出，故電路模擬

13、圖騰柱輸出，使其上升下降沿時間變短，提高開關管的導通效率，其應用電路圖見附錄。3.2.2閉環(huán)反饋電路的設計該部分的設計采用電阻比例電路，考慮到功耗，及檢測吸收能力，通過實驗測試，R2=150K,R11=5K(可調)，R4=10K，在既滿足反饋要求，且功耗低。 3.2.3過流保護及自動恢復電路的設計本電路采用溫度漂移小的康銅錳銅絲作為采樣電阻，其電阻率為1.3/m,考慮到單片機的識別能力及功耗問題，經反復測試，選用電阻值為0.4，可以精確采樣到其兩端電壓，經過公式： 計算輸出電流值，當其輸出達到2.5A時，控制TL494進行過流動作保護。當電流故障排除后，電源輸出自動恢復。4 系統(tǒng)的軟件設計圖4

14、為系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)初始化后，通過上下調整鍵，步進1V調整；當預設鍵按下，系統(tǒng)進入預設調整，通過上下調整鍵1V步進調整，完成按確定鍵，系統(tǒng)輸出預設值；當系統(tǒng)輸出電流達到2.5A,系統(tǒng)自動斷開輸出，進行保護動作及語音提示報警，并且在排除過流保護后，電源自動恢復正常狀態(tài)。圖4系統(tǒng)主程序流程圖5系統(tǒng)測試5.1測試方法與數據分析負載調整率的測試方法：通過一個大功率可調電阻及數字萬用表將輸入電壓調節(jié)到18v，改變功率電阻的阻值測量輸出端電壓，其測得數據如表1所示。可算出電源的電壓調整率為0.02。原因可能是變壓器沒有工作在最好狀態(tài)另外線圈手工繞制較粗糙，可以改變變壓器的加工精度提高負載調整率。表2負

15、載調整率測試負載阻值輸出電壓輸出電流7033.00.465033.00.664032.90.843432.80.942932.51.121832.31.801632.32.055.2電壓調整率的測量方法：用大功率可調電阻將輸入15v的電源輸出的電流調至2A，再調節(jié)輸入電壓，用數字萬用表測得輸出端的電壓，測得數據如下表?？伤愠鲭娫吹呢撦d調整率為0.003，達到發(fā)揮部分的要求。表3電壓調整率測試Ui(v)U0(v)I0(A)1533.02.001633.02.001733.02.001833.12.001933.12.002033.12.002133.12.015.3輸出紋波的測定：將輸出端的信號輸入DS5102CA型數字示波器可以直接讀到紋波的大小。我們測得的紋波峰峰值為600mv足以滿足題目紋波不大于1v的要求。5.4電源效率的測量：測量DC-DC輸入端電壓和電流，從而得到輸入的功率；在電源的輸出端接一大功率滑動變阻器，測得其輸出的電流、電壓值，從而得到電源的效率。通過這種方法我們測得該電源的效率在80%左右。開關管變壓器功耗過高，改進方法提高開關管的開關狀態(tài)，改進變壓器。6總結本文設計的開關穩(wěn)壓電源以凌陽SPCE061A為控制核心，較好的實現了基本和發(fā)揮部分的各項指