開關穩(wěn)壓電源

1、湖南工學院設計課題：開 關 穩(wěn) 壓 電 源組 員：劉功文 杜志成 劉品田班級：電氣0801班設計指標：1. 輸出電壓可調(diào)范圍：3036V；2. 最大的輸出電流：2A;3. 從15v變到21v，電壓調(diào)整率<2%4. 從0A變到2A，負載調(diào)整率：<5%(=18v);5. DC-DC變換器的效率>70%（=18v,=36v,=2A）;6. 具有過流保護的功能，即繼電器的動作電流為2.5A。設計要求：1. DC-DC變換器的輸出電壓高于輸入電壓，因此需要一個升壓斬波電路2. 功能要求該開關穩(wěn)壓直流電源應具有輸出電壓同步可以調(diào)、鍵盤設定；過流保護，出現(xiàn)故障后能自動恢復正常，同時能具有輸

2、出電壓，電流的測量與顯示的功能3. 對于各個模塊必須要自制輔助電源來供電，而且效率不能太低。輸入和輸出必須沒有直接的電氣隔離，而且輸入端已有隔離變壓器隔離，因此無直接的電氣隔離電路。方案討論根據(jù)上述的要求，不難構建系統(tǒng)的整體框架圖，220V交流電壓經(jīng)過隔離、降壓、整流、濾波后，得到比較穩(wěn)定的直流電壓，在經(jīng)過DC-DC電路升壓后再濾波得到比較平滑的直流輸出電壓，輸出電壓、電流經(jīng)過檢測元件、AD轉(zhuǎn)換芯片進行采樣，經(jīng)過運算后就可以得到需要的PWM信號去驅(qū)動功率開關，當檢測到電流到達到2.5A時，單片機發(fā)出命令前級處理電路的繼電器，從而使供電中斷，可靠的實現(xiàn)電路的安全。 綜上所述，我們可以得到總的原理

3、框圖2、控制部分控制部分主要完成輸出電壓的鍵盤設計與步進，以及電壓電流的液晶屏幕的顯示，主要以單片機為控制中心開展工作，圍繞單片機可以很容易地實現(xiàn)過流過壓功能。單片機控制方框圖（4-1）所示。圖（2-1） 單片機系統(tǒng)最小系統(tǒng)單片機可以選用51系列的單片機，通過AD將輸入電壓、輸出電壓和電流進行采樣，單片機還完成對鍵盤的控制和液晶屏的顯示功能。輸出電流的采樣依靠串聯(lián)在輸出回路的采樣電阻完成，為了減少損耗，采樣電阻采用溫度特性好的康銅絲繞制，阻值0.1歐姆左右，經(jīng)差動放大器INA148送入A/D,計算處理得到負載回路的電流值。這種檢測輸出電流的方案穩(wěn)定可靠，精度高。當檢測到輸出電流達到2.5A時，

4、單片機發(fā)送斷開前級處理電路的繼電器，從而使供電中斷，可靠地保護電路的安全。采用延時恢復技術實現(xiàn)故障排除后自動恢復功能。為了使輸出電壓在3036V間步進可調(diào)，我們用數(shù)字電位器X9312做采樣電阻R2，通過調(diào)整其阻值改變輸出電壓幅度。X9312為10K、100檔數(shù)字電位器，足夠滿足題目輸出3036V可調(diào)的要求。X9312和其串聯(lián)的5K歐姆的電阻R1兩端電壓受UC3843調(diào)節(jié)，X9312兩端電壓等于UC3843內(nèi)部基準電壓Uref=2.5V,因此調(diào)整數(shù)字電位器阻值，即可調(diào)整輸出電壓幅值。根據(jù)測試精度要求和現(xiàn)有的實際情況選用合適的A/D，可選用8bit串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832，用于采樣電流值。單片

5、機接收A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)并定時刷新，通過內(nèi)部處理得出實際的電壓電流值，實現(xiàn)實時采樣和電壓電流值的顯示。為了提高實時檢測的精度，對所測數(shù)據(jù)求平均以減少干擾。2.1人機交互及保護電路設計人機交互主要完成輸出電壓的鍵盤設定和步進、輸入電壓、輸出電壓與電流的測量與顯示過流等功能。其系統(tǒng)實現(xiàn)方框（2-2）所示圖（2-2） 人機交互界面本設計單片機最小系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路、片外RAM、片外ROM、按鍵、數(shù)碼管、液晶顯示、ADC、DAC及外部接口等組成。圖（4-3）為單片機最小系統(tǒng)結(jié)構框圖。圖（2-2） 單片機最小系統(tǒng)結(jié)構框圖2.3 芯片及功能介紹2.3.1 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片0832 AD轉(zhuǎn)換芯片08

6、32是8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于其體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者喜歡，目前有很高的普及率。下圖（4-4）為AD轉(zhuǎn)換芯片0832的引腳圖。 圖（2-4） AD0832的引腳圖芯片接口說明： CS 片選使能，低電平芯片使能； CH0 模擬輸入通道0； CH1 模擬輸入通道1； GND 芯片參考0電位；DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制；D0 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；CLK 芯片時鐘輸入；Vcc/Ref 電源輸入及參考電壓輸入。2.3.2 DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片0832DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控

7、制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構成，下圖（4-5）為DAC0832芯片的引腳圖。圖（2-5） DAC數(shù)模芯片0832DAC0832芯片的引腳說明：D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換

8、，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；

9、 VREF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V； AGND：模擬信號地；DGND：數(shù)字信號地。2.3 軟件設計系統(tǒng)軟件主要由主程序、鍵盤掃描子程序、顯示子程序和AD及D/A轉(zhuǎn)換子程序等組成，其流程圖（4-6）所示。上電后，系統(tǒng)進行初始化，然后調(diào)用取樣子程序，檢測當前電壓和電流進行顯示，調(diào)用過流子程序，若過流則斷電，延時后電源重新啟動，否繼續(xù)檢測鍵盤。3.1 DC-DC升壓變換器設計 DC-DC升壓變換器的功能及組成元件DC-DC變換器的功能是將一種電壓的直流電變換為另一種或幾種電壓的直流電。其電路主要由UC3843芯片來實現(xiàn)。 DC-DC升壓變換電路所用芯片的管腳圖及其功能表UC

10、3843芯片管腳圖如下所示：圖3-2-1其內(nèi)部簡圖如下：圖3-2-2UC384功能表如下圖所示：管腳功能 說明1補償該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補償。2電壓反饋該管腳是誤差放大器輸入，通常通過一個電阻分壓器連至開關電源輸出。3電流取樣一個正比于電感器電流的電壓接至此輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息終止輸出開關的導通。4RT/CT通過將電阻RT接到Vref以及電容CT接至地，使振蕩器的頻率和最大輸出占空比可調(diào)。工作頻率可達500KHZ.5地該管腳是控制電路和電源的公共地。6輸出該輸出直接驅(qū)動功率管MOSFET的柵極，高達1.0A的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌。7VCC該管腳是控制集成電路的正電源。8

11、Vref該管腳為參考輸出，它通過電阻RT向電容CT提供供電電流。表2-2-1 DC-DC升壓變換電路工作原理DC-DC升壓變換電路原理圖如下所示：DC-DC升壓變換電路工作原理：1腳是補償端，外接電阻電容元件以補償誤差放大器的頻率特性。第2腳是反饋端，將取樣電壓加至誤差放大器的反向輸入端，再于同向輸入端的基準電壓進行比較，輸出誤差控制電壓。第3腳接過流保護電阻組成過流保護電路。RT/CT鋸齒波振蕩器定時電阻和電容的公共端，內(nèi)部基準電壓為Vref=5V。它內(nèi)部有兩個閉環(huán)反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓，當按上圖所示接線通電后，一部分從A點取得的反饋電壓輸入誤差放大器的反向輸入端2腳，與基準電壓比較產(chǎn)生控制電壓，控制

12、6腳輸出脈沖的占空比，使開關管MOSFET占空比改變，從而使輸出恒定。另一部分為電流內(nèi)環(huán)，即通過開關管的源極到公共端間的電流檢測電阻RS,使開關管導通期間流經(jīng)電感L的電流在RS產(chǎn)生的電壓送至TPWM比較器同相輸入端，與誤差信號進行比較后控制脈沖的寬度，利用反饋原理，保持穩(wěn)定的輸出電壓。 DC-DC升壓變換電路參數(shù)的選擇與計算1. 電路開關頻率fS選擇電路開關頻率fS對DC-DC電路的效率影響很大。若fS太低，充電電感.電容的體積太大，在保證充電電感量的前提下，線圈的匝數(shù)增多，銅損耗加大。若fS太高，可使充電電感.電容的體積縮小，重量變輕，但充電電感的渦流損耗.磁損耗及其他元器件的分布參數(shù)的影響

13、加大造成的其他元件損耗加大。綜合考慮，本設計選定fS=49HZ。2.確定最大占空比DmaxDmax=(U0-Ui)/U0=(36-23.4)/36=35%3.充電電感L1的計算L12(U0-US)D(1-D)/I0*fS=2(23.4-0.9)*0.35*(1-0.35)/2*4900=105(uH)同時考慮在10%額定負載以上電流連續(xù)的情況，實際設計是時可以假設電路在額定輸出時，電感紋波電流為平均電流的20%-30%，取30%為平衡點，即IL=30%*IL(平均)=30%*I0/(1-D)=0.3*2/(1-0.35)=0.923(A)于是L1=(Ui-US)/ILfS=(23.4-0.9)

14、/0.932*49000=497(uH)流過電感L1的峰值電流ILr=1.15*I0/(1-D)=1.15*2/(1-0.35)=3.54(A)取充電電感線圈載流量為2A/mm2導線的截面積 S= ILr/2=3.54/2=1.77(mm2) 導線直徑 d=(4 S/)=1.5 (mm)4.電容C2選擇輸出濾波電容的選取決定了輸出紋波電壓，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻ESR有關，電容的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的ESRU0/IL=36*1%/0.923=0.39.另外，為了滿足輸出紋波電壓相對值的要求，濾波電容應滿足CL= U02DT/U0 I0=362*0.35/36*1%*2*49000=1286(uF)為了降低紋