07年開關(guān)穩(wěn)壓電源報(bào)告

1、 開關(guān)穩(wěn)壓電源 摘 要 本設(shè)計(jì)綜合考慮題目根本局部和發(fā)揮局部的指標(biāo)要求， 系統(tǒng)采用簡單的boost 升壓電路作為 DC-DC變換器主電路；PWM控制器采用低壓型專用集成芯片 TL3842;主開關(guān)管采用IRF540;由內(nèi)置12位A/D、D/A的高性能、低功耗cortex-m3 芯片組成系統(tǒng)測控與顯示單元，采用液晶顯示器作為系統(tǒng)的狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示 屏。通過實(shí)際測試，作品的性能指標(biāo)中，輸出紋波完全到達(dá)了要求；電壓調(diào)整率， 整體效率，負(fù)載過流故障排除后自恢復(fù)功能，輸出電壓鍵控 1V步進(jìn)，電流、電 壓實(shí)時(shí)測量及數(shù)顯功能等幾項(xiàng)指標(biāo)達(dá)均到了發(fā)揮局部要求；負(fù)載調(diào)整率也接近發(fā) 揮局部指標(biāo)要求。另外，系統(tǒng)還增加

2、了實(shí)時(shí)輸出功率數(shù)據(jù)顯示和負(fù)載過流保護(hù)等 實(shí)用功能。1 一、 引言 為了滿足題目發(fā)揮局部規(guī)定的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率以及效率等幾項(xiàng)指標(biāo) 要求，我們在設(shè)計(jì)中主要是盡量減少輔助控制電路的損耗。通過 ARM和脈寬調(diào) 制電路來穩(wěn)定輸出電壓，并通過 ARM的控制實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電路的過流保護(hù)功能， 排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常工作狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)輸出電壓與設(shè)定電 壓誤差較大時(shí)，ARM能對輸出電壓進(jìn)行一定調(diào)節(jié)，以提高負(fù)載調(diào)整率；通過ARM 實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整步進(jìn)為 1V。系統(tǒng)具有測量和數(shù)字顯示 輸出電壓、電流的功能。此外，還增加了實(shí)時(shí)輸出功率測量與顯示、在輸出過流 的時(shí)候過流保護(hù)等功能。 二

3、、 方案論證與比擬 1. DC-DC主回路拓?fù)浞桨刚撟C 方案一：采用變壓器升壓的隔離型 PWM直流-直流變換器電路，此電路效 率較低，開關(guān)輻射/紋波較大，電路較復(fù)雜。 方案二：采用非隔離型BOOST升壓電路，控制電路用專用集成芯片TL3842, 這種電路使用的外部原件最少、調(diào)試容易、本錢低、效率高。因此，采用此種方 案。 2. 控制方法及實(shí)現(xiàn)方案 方案一：采用電壓型脈寬調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生頻率固定，脈沖寬度可調(diào)整的方波 脈沖，采用電壓反應(yīng)環(huán)控制系統(tǒng)，它的反應(yīng)信息取自輸出電壓，用反應(yīng)電壓調(diào)整 控制器的輸出脈沖寬度，改變脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)定。 方案二：采用電流型脈寬調(diào)制芯片，此技術(shù)與傳統(tǒng)的僅有

4、輸出電壓反應(yīng)的 PWM系統(tǒng)相比增加了一個(gè)電感電流反應(yīng)。 此反應(yīng)就做為PWM的斜坡函數(shù)，就不 再需要鋸齒波發(fā)生器，更重要的是使用電感電流反應(yīng)使系統(tǒng)的可靠性有了明顯的 改善，經(jīng)比擬具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1 使系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及高速的穩(wěn)定性。 2 輸出電壓精度很高。 3 具有內(nèi)在的對功率開關(guān)管電流的控制及限流能力。 4 具有良好的并聯(lián)運(yùn)行能力。 可以看出方案二的控制性能明顯優(yōu)于方案一，所以采用方案二。 3. 提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案 ARM系統(tǒng)及其它輔助電路的功耗對電源的整體效率有很大的影響。 所以選用 一款功耗低的ARM作為控制與顯示單元電路。采用效率高、開關(guān)速度快、損耗 小的MOS場效應(yīng)管作為主

5、開關(guān)管。選用快速、低損耗的肖特基二極管作為輸出端 的整流/升壓二極管。 2 根據(jù)以上可以提高效率的方法綜合出包括以下三個(gè)方面的方案: 1 使用Cortex系列內(nèi)置12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的新型高性能、低功耗 Cortex-M3,由丁 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)置，并具有可編程的前置放大器， 外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，功能強(qiáng)大。顯示器采用液晶屏。這樣可 以減小控制單元電路的損耗，使系統(tǒng)的整體效率提高。 2 使用高效率的MOSFET管IRF540代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙極型晶體管，因?yàn)樗?開關(guān)速度高、導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間短，開關(guān)損耗小，并且是電壓控制型元件， 驅(qū)動功率小，可以用專用集成電路直接驅(qū)動，不存在二次擊穿

6、，熱穩(wěn)定 性好等，因而可靠性高。 3 采用低功耗、超高速、反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管 MBR1545,可有 效降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率。 三、電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 1. 系統(tǒng)框架 本系統(tǒng)由以下幾大局部組成：隔離變壓器 已提供 、整流濾波電路、過流保 護(hù)電路、DC-DC變換電路、控制電路、鍵盤輸入電路、顯示電路等。 2. 主回路器件的選擇與參數(shù)計(jì)算 整流橋的選擇：隔離變壓器輸出的交流電壓為 18V,整流橋的電流最大可達(dá) 5 6A,為了得到較好的直流量，用全橋整流，整流橋的耐壓應(yīng)為 50V以上，正 向電流大丁等丁 8A,實(shí)際電路中采用10A/600V整流橋。 濾波電容器選擇：要求輸出的最大電流為

7、 2A,最大電壓為36V,所以輸出最 大功率約為72W,按照電路效率為80%計(jì)算?？傻谜麄€(gè)電路輸入的功率約為 90Wc3 電路自身功率達(dá)18W，根據(jù)P=U2/R,可求得整流濾波電路的等效負(fù)載電阻 R*歐 姆，濾波電路的基波周期 10mS,按一般要求，濾波電路的時(shí)間常數(shù) lCXR = 30mS 50mS,所以，濾波電容 C選用4700尚/50V和1000/50V并聯(lián)考慮到 有輸入電流測試端口的存在。 整流濾波局部電路圖見圖二。 開關(guān)管的選擇：功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點(diǎn)。柵極驅(qū) 動器的負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對柵極等效電容 CEI的充放電。流經(jīng)MOS管

8、的電流理論平均值：ID=TOFF?IO/T=IO ?VO / Vi5A 所以，MOSFET應(yīng)選用平均電流大丁 10A、電壓大丁 50V的管子，實(shí)際選用 IRF540N, IF=28A、VR=100V、PD=150W RDSON=0.077 Q 升壓二極管的選擇：二極管要采用正向電壓降低，反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管， 所以選用反向恢復(fù)時(shí)間為60us以下、反向耐壓為45V以上的肖特基二極管。它是 一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率。實(shí)際電 路中選用 MBR1545 : IF=15A、VR=45V。 主儲能電感器LI的制作。按公式：L芝VO1 一 D計(jì)算得電感量應(yīng)大丁等丁 2

9、頃f 100叩。實(shí)際采用中38的高性能環(huán)形高頻磁芯、用 中0.8的漆包線繞28圈。 3. PWM控制電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 控制電路的電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖三所示：采用低壓電流型PWM專用集成控 圖二 整流濾波局部電路圖 Via 4 制芯片TL3842,開關(guān)頻率約為50KHz。主開關(guān)管源極電阻選0.1 Q Z3VV所以，開 關(guān)管的最大電流限制在10A以下。 4. 效率的分析及計(jì)算 整流濾波后電路的總功率 PI= UI?II ,輸出功率PO=UO?IO, DC-DC變換器的 效率T =PZPI。電路總的功率損耗主要包括主開關(guān)管、升壓二極管的動態(tài)開關(guān)損耗 與導(dǎo)通損耗、儲能電感的銅耗與磁滯損耗；其它局部的

10、損耗如脈寬調(diào)制器的損耗、 ARM及顯示屏的損耗、過流保護(hù)電路的損耗等。這些方面的功耗增加都會導(dǎo)致電 源整體效率下降。所以，電路中采用現(xiàn)有器材中功耗最低的元器件來減少總的損 耗，提高電源的整體效率。如開關(guān)管采用 MOSFET IRF540、升壓二極管使用正 向電壓低的肖特基二極管 MBR1545,控制電路采用低壓型 PWM控制芯片 TL3842, ARM系統(tǒng)使用低功耗的cortex-m3、1602液晶屏等。 5. 保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 過流保護(hù)電路原理圖如圖四所示: 囹四 DC皿換器過流保護(hù)電路囹 系統(tǒng)的過流保護(hù)功能是通過 ARM實(shí)現(xiàn)控制MOS管IRF9540 實(shí)際是2個(gè)并 聯(lián)以減小導(dǎo)通電阻實(shí)

11、現(xiàn)的，當(dāng)輸出的電流不大丁 2.5A時(shí)，ARM的PE1 口輸出 高電平,使得跟它相連的三極管9013飽和導(dǎo)通，從而使與三極管相連的場效應(yīng)管 IRF9540導(dǎo)通，DC DC變換電路正常運(yùn)行。當(dāng)輸出的電流大丁 2.5A時(shí)，ARM 的PE1 口輸出低電平使與它相連的三極管和場效應(yīng)管均截止。 Vin通過與IRF9540 并聯(lián)的大功率電阻向DC-DC變換器提供負(fù)載狀態(tài)檢測電流通路， ARM持續(xù)采樣 輸出電流、同時(shí)輸出過載報(bào)警信號。當(dāng)過流故障消失時(shí)，ARM的PE1 口輸出恢復(fù) 高電平，電路自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。 6. 輸出電壓數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計(jì) 數(shù)字設(shè)定是通過鍵盤輸入數(shù)值給 ARM cortex-m

12、3來實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)中的鍵盤 通過設(shè)定ARM板上的按鍵來實(shí)現(xiàn)，簡單、方便，同時(shí)減少了外圍電路，從而有 助丁整體電路效率與可靠性的提高。 顯示電路采用帶字庫的LCD1602液晶顯示器。為了防止占用大量的I/O 口， 采用申行傳輸模式，其中E、RS、RS引腳分別與B5、B6、B7 口相連，雖然編程 難度增大，但是節(jié)省了 I/O資源，防止外擴(kuò)I/O芯片，減少了系統(tǒng)硬件電路的本錢。 LCD顯示界面簡單，易丁人機(jī)交流。 5 四、軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)使用低功耗增強(qiáng)型ARM Cortex-M3組成的數(shù)字控制單元，可以實(shí)現(xiàn)以 下四個(gè)方面的功能： 1 測試輸出電流、電壓并顯示。ARM通過內(nèi)部自帶的12位A/D對輸出的

13、 電壓和電流進(jìn)行采樣，將采集回來的數(shù)值在ARM內(nèi)部進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù) 送往液晶屏顯示輸出電壓、輸出電流、輸出功率等參數(shù)。 2 設(shè)定輸出電壓值。通過按鍵設(shè)定電壓值送給 ARM , ARM通過內(nèi)部自帶 12位D/A將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量送給 TL3842的電壓反應(yīng)端，進(jìn) 而控制輸出電壓實(shí)現(xiàn)鍵控1V步進(jìn)的功能。 3 實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)微調(diào)：當(dāng)直流輸出電壓誤差較大時(shí)，調(diào)整輸出電壓， 提高系統(tǒng)穩(wěn)壓性能指標(biāo)主要是提高負(fù)載調(diào)整率。 4 當(dāng)輸出電流大于2.5A時(shí),ARM就會啟動過流保護(hù)功能，通過控制IRF9540 的截止來防止電路損壞。當(dāng)過流故障排除時(shí)，系統(tǒng)自動恢復(fù)正常工作狀 O 五、系統(tǒng)測試 1 .測試儀器

14、 滑動變阻器 7-16 ;萬用表 DT890B+、VC9807A+、VC9802A+ ; 20MHZ 示 波器DF4326 ;單相交流調(diào)壓器 R6001。 2. 測試方法 電壓調(diào)整率的測試方法：在輸出電流為 2A的條件下，調(diào)整變壓器使隔離變 壓器的輸出在15V到21V之間取幾個(gè)值然后測量相應(yīng)的直流輸出電壓值， 根據(jù)公 式可求得電壓調(diào)整率。 負(fù)載調(diào)整率的測試方法：在隔離變壓器輸出為 18V、輸出直流電壓36V,分 別測量負(fù)載電流為0和2A所對應(yīng)的輸出電壓值。負(fù)載調(diào)整率就是輸出電壓的相 對變化量與標(biāo)準(zhǔn)電壓的比值。 DC-DC變換器效率的測試方法：在隔離變壓器輸出為 18V,直流輸出電壓為 36V、

15、輸出電流為2A的條件下，測得輸入電壓 Ui和輸入電流Ii的直流平均值， 效率Uo?Io/Ui?IiX 100%。 3. 實(shí)際測試數(shù)據(jù) 1電壓調(diào)整率的測試IO=2A 變壓器輸出電壓V 15 18 21 直流穩(wěn)壓電路輸出電壓V 6 電壓調(diào)整率= 負(fù)載調(diào)整率的測試U2=18V、Uo = 36V 負(fù)載電流A 輸出電壓V 負(fù)載調(diào)整率= DC-DC變換器效率的測量U2=18V、IO=2A、UO=36V 輸入電壓V 輸入電流A 輸出電壓V 輸出電流A 效率 4紋波與噪聲電壓測試：U2=18V、Uo=36V、Io=2A ,用示波器測量 紋波峰一峰值UOPP= 5過流保護(hù)：當(dāng)負(fù)載電流超過2.5A時(shí)，輸出電壓降到

16、約05V取決丁負(fù)載阻 抗大??；排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常工作狀態(tài)。 六、結(jié)論 本次作品我們方案選擇不太好，沒有注重根底，一味追求發(fā)揮局部，導(dǎo)致后 來完成的過程中力不從心，只在理論上做了仿真實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際無法連接電源，不 能提供有力的真實(shí)數(shù)據(jù)。我們的作品在仿真時(shí)紋波達(dá)根本到了題目要求：電壓調(diào) 整率，整體效率，負(fù)載過流故障排除后自恢復(fù)功能，輸出電壓鍵控 1V步進(jìn)，電 流、電壓實(shí)時(shí)測量及數(shù)顯功能。附-1 - 七. 附件： 1. ARM控制局部核心部件 81 g 您 TSMUHJ m T 電 8MA :日日8R.8G JTMI .J mjClS&CW 刑 - H和 wrjn WSKUIMHk 二 初li & fJ-E上；習(xí) 7lli wnnu utoirwilsci ；*3QSF 薯71；Aw；k底 6. KfTM 1盧土 3 fTEMALk LtHfiJkP-HJ!J： d.FM JU x i LWT En 皿MCKIXTM F k mwfiuanrTM 皿 f 38rE OktlMOf %cn 。丁部夕初皿工口吁W.CHS pormjw E* J/T M M LKJTK