全國電子設(shè)計(jì)大賽論文電源設(shè)計(jì)說明

1、 WORD 6/6一：方案論證1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)題目要求，總體設(shè)計(jì)方案如下：將交流電220V送進(jìn)隔離變壓器，一級(jí)輸出18V交流電。通過整流濾波，將交流電轉(zhuǎn)為直流電，進(jìn)行DC-DC升壓和降壓。副DC-DC實(shí)現(xiàn)的降壓值為5V，用于給單片機(jī)控制系統(tǒng)供電。通過鍵盤可以對主DC-DC升壓的輸出電壓進(jìn)行設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，并由AD對輸出進(jìn)行采樣，通過在單片機(jī)預(yù)置的算法對輸出進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，同時(shí)從液晶屏上數(shù)字顯示出電流和電壓值。當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電流達(dá)到上限時(shí)，啟動(dòng)過流保護(hù)；當(dāng)故障排除后，開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)總體框圖2.主DC-DC升壓電路設(shè)計(jì)方案DCDC升壓電路采

2、用自舉式升壓方式，如圖1.2所示，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電感與電源接地端直接相連，形成回路。隨著能量存儲(chǔ)到電感的磁場中，流過電感的電流斜線上升，磁力線增強(qiáng)。當(dāng)晶體管截止時(shí)，磁場開始消失。隨著它的減弱，會(huì)切割電感的導(dǎo)線，產(chǎn)生一個(gè)電壓。由于磁場的運(yùn)動(dòng)方向與磁場建立時(shí)的方向相反，所以感應(yīng)電壓反向。從而實(shí)現(xiàn)升壓的過程。圖1.2自舉式主DC-DC回路拓?fù)鋱D3.控制方法與實(shí)現(xiàn)方案對主DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的控制方法采用硬件閉環(huán)控制為主、軟件補(bǔ)償和測量相結(jié)合的方法對DC-DC的輸出進(jìn)行精確控制。硬件控制采用國家半導(dǎo)體公司的LM2587-ADJ開關(guān)電源控制芯片組成對輸出主回路的電壓閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的粗調(diào)。軟件控制

3、選用STC12C5412AD單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)的顯示、按鍵、A/D、D/A全部集中在核心控制板上，通過預(yù)置算法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精調(diào)。4.提高效率的方法與實(shí)現(xiàn)方案1.降低二極管的損耗：二極管一般需要0.7V的導(dǎo)通電壓降。在輸出電壓為21.6V時(shí)，二極管要消耗一定的輸出功率。而肖特基二極管的導(dǎo)通壓降一般為0.2V0.3V，因此使用這類二極管這能夠有效降低其上的功率損耗。2.降低開關(guān)管的損耗：如果將開關(guān)管設(shè)計(jì)在外圍電路中，極易由于設(shè)計(jì)參數(shù)的問題導(dǎo)致開關(guān)管部分時(shí)間工作在線性區(qū)，會(huì)引起一定損耗。在設(shè)計(jì)中，選用LM2587，它將開關(guān)管集成到芯片部，參數(shù)由廠家整定，可以大大減少功耗。3.減少銅損：銅損是

4、由導(dǎo)線的寄生電阻和電感線圈引起的。實(shí)際設(shè)計(jì)中，選用橫截面積大的銅絲，并采取多股纏繞的方法，減少單位橫截面積電阻。4.減少鐵損：引起鐵損的原因有兩個(gè)磁滯損耗和渦流損耗。在實(shí)際操作中，采用EI型電感磁芯，并在連接處留有一定空隙。由于存在空氣間隙，使之不易產(chǎn)生磁滯和渦流。 二：電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1.主回路器件的選擇與參數(shù)計(jì)算題目中要求：18V交流輸入時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入電壓為21.6V（理論計(jì)算得出），負(fù)載端電壓為30V36V。最大輸出電流Iomax為2A，主DC-DC升壓變換器效率70%(發(fā)揮部分要求達(dá)到85%)。據(jù)此，在主DC-DC升壓回路中主要用來實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器的器件為LM2587-ADJ。

5、LM2587-ADJ部有一個(gè)100kHz的振蕩器，部開關(guān)電流額定值5A，負(fù)載電壓Vload65V，輸入電壓需保持在4V40V，變換器效率90%，理論上完全滿足設(shè)計(jì)需求。主DC-DC回路電路圖如圖2.1所示，通過改變R2和R3的比值即可設(shè)定所需負(fù)載電壓值。圖2.1主回路原理圖將反饋電壓與部參考電壓1.23V進(jìn)行比較： Vload=1.23V(1+) （2-1）已知 1k5 k例如選取R2=115k，R3的值根據(jù)Vload的設(shè)定選取。 （2-2）（輸入功率） （2-3）( （2-4）對電感L來說，選擇 （2-5） （2-6） （2-7）開關(guān)的占空比為 （2-8） 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 =DT（T為電感的工

6、作周期，常值）通過公式計(jì)算得到L的圍：78H 93H。按照設(shè)計(jì)要求，在LM2587前級(jí)需加兩個(gè)輸入電容。在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，較大的C1給開關(guān)提供電荷。它應(yīng)該盡量大些，能夠在100kHz的部振蕩器條件下工作，并提供LM2587要求的電流。電容C2應(yīng)該是一個(gè)相對小一些的瓷電容。這種類型的電容比電解電容C1快得多，使它可以響應(yīng)開始導(dǎo)通的瞬變過程。2、控制電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算硬件控制電路如圖2.1所示。LM2587的2引腳為反饋端，通過兩個(gè)電阻分壓產(chǎn)生一個(gè)電平同部基準(zhǔn)比較從而對輸出進(jìn)行調(diào)整，為了方便引入軟件的補(bǔ)償控制作用，增加了如圖2.2所示的控制電路，通過D/A輸出改變芯片反饋點(diǎn)電壓，從而可以在要求圍設(shè)定輸

7、出電壓值，并對其進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。圖2.2軟件補(bǔ)償控制電路R2和R3的阻值選取決定了軟件輸出補(bǔ)償?shù)纳舷拗担@個(gè)值由公式（2-1）可求得。D/A設(shè)定的零點(diǎn)由二極管導(dǎo)通壓降決定。二極管選用反向漏電流較小的1N4148，R2 R3根據(jù)題目要求計(jì)算。設(shè)定滿值輸出電壓為44V，系統(tǒng)可以在3036V之間自由調(diào)整，根據(jù)LM2587設(shè)計(jì)文檔R3要求取值1 k5 k，選取2.4 k，可以求得R2為84 k?？刂瞥绦蛄鲌D如圖2.3所示。3、效率的分析與計(jì)算從系統(tǒng)總體分析，整流后輸出功率損耗分布在兩個(gè)部分，一個(gè)是DC-DC升壓主回路，另一個(gè)是單片機(jī)等控制顯示電路部分。根據(jù)LM2587的技術(shù)文檔，此類升壓電路的效率應(yīng)該可

8、以做到90%以上。從本系統(tǒng)分析，第二部分本身的功率損耗比較小，留足余量按照100mA的通過電流5V供電電壓計(jì)算，這部分功耗只有0.5W，占總功率72W的0.69%，這是完全可以承受的。但是由于前級(jí)輸入電壓為21.6V若采用線性電源，如L7805等電壓芯片，那么在其上的功耗便有(21.6V-5V)0.1A=1.66W，加上原有功耗，那么在這部分消耗的功率將達(dá)到總功率的3%，這個(gè)會(huì)極大的降低電源的性能。因而這部分供電采用DC-DC模式降壓輸出，控制芯片使用MC34063，效率可以達(dá)到89%。這樣計(jì)算出的功耗為0.56W。對于DC-DC升壓部分，二極管的損耗，由于二極管并非一直導(dǎo)通，而且設(shè)計(jì)中使用了

9、低壓降的肖基特二極管代替了普通的快恢復(fù)二極管，因而其功耗上限值為0.3V2A=0.6W。開關(guān)管集成在 圖2.3軟件流圖LM2587部，按照3W的損耗計(jì)算。銅損、鐵損的損耗需要根據(jù)實(shí)際使用的磁芯與布線的寄生電阻而定，初步估算為3W。這樣根據(jù)上述分析計(jì)算系統(tǒng)功耗(0.5W+0.56W+3W+3W)/72W=9.94%，并結(jié)合芯片的技術(shù)文檔分析本系統(tǒng)的效率應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到90%。4、保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算保護(hù)電路采用單片機(jī)控制完成，首先由A/D采樣錳銅絲采樣電阻端，獲得采樣數(shù)據(jù)后進(jìn)入單片機(jī)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并判斷是否通過電流達(dá)到過流保護(hù)的動(dòng)作閾值。如果達(dá)到動(dòng)作閾值后，單片機(jī)首先控制繼電器關(guān)斷輸出回路，然后

10、控制系統(tǒng)發(fā)出試探電流，檢測負(fù)載端故障是否解除，如果解除，則恢復(fù)供電，否則繼續(xù)過流保護(hù)。5、數(shù)字設(shè)定與顯示電路的設(shè)計(jì) 按鍵使用44矩陣鍵盤與A/D掃描按鍵（互為備份），獲得按鍵鍵值后，采用D/A給定的方法輸出，電路原理圖如圖2.2所示。顯示器采用點(diǎn)陣為12864的液晶，將設(shè)定的電壓值、測量的電壓值和電流值等信息分別顯示出來。三：測試方法與數(shù)據(jù)1、測試方法：11輸出電壓可調(diào)圍：在系統(tǒng)電壓輸出端子外接并聯(lián)數(shù)字萬用表。用滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)到不同阻值的條件下，通過鍵盤給定輸出值，并測量通過調(diào)節(jié)是否能夠達(dá)到要求的電壓輸出圍。12最大輸出電流：在系統(tǒng)電壓輸出端子外接串聯(lián)數(shù)字萬用表。利用滑動(dòng)變阻器減小電阻，測試電

11、流是否能夠達(dá)到要求值。13電壓調(diào)整率測試：利用自藕調(diào)壓器，使輸入交流15V21V變化，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使IO=2A，輸出端端子并聯(lián)數(shù)字萬用表測量直流電壓的變化率。14負(fù)載調(diào)整率測試：在U2=18V時(shí)，利用滑動(dòng)變阻器，使負(fù)載在一定圍變化，輸出端之并聯(lián)數(shù)字萬用表測量直流電壓相對于原來的變化率。15輸出噪聲紋波電壓檢測：使系統(tǒng)工作在U2=18V,UO=36V,IO=2A狀態(tài)，在輸出端子上并接數(shù)字示波器，調(diào)節(jié)達(dá)到合適檔位，測量輸出噪聲紋波電壓。16DC-DC變換效率測試：在U2=18V,UO=36V,IO=2A的條件下，在DC-DC輸入端串進(jìn)一塊數(shù)字萬用表測量電流、并用另一塊電壓表測試輸入電壓。負(fù)載端做

12、同樣的測試測試負(fù)載兩端電壓與負(fù)載電流。通過公式P =UI計(jì)算DC-DC輸入輸出的功率，兩者相比即可求得實(shí)際電路的效率。17過載保護(hù)時(shí)動(dòng)作電流的測試：在負(fù)載回路串聯(lián)一塊電流表，通過滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)負(fù)載電流，當(dāng)電流表顯示進(jìn)去動(dòng)作區(qū)時(shí)，記錄設(shè)備是否正常進(jìn)行過流保護(hù)。18液晶顯示測試：通過觀察液晶顯示器上的數(shù)據(jù)顯示，并結(jié)合萬用表的測量結(jié)果，判斷液晶顯示器能否正常工作。2、測試儀器：電路測試中使用的儀器設(shè)備與其用途如表1所示。表3.1 電源部分測試實(shí)用的儀器設(shè)備序號(hào)儀器名稱與型號(hào)用途1MS8050五位半數(shù)字多用表對A/D、D/A等進(jìn)行校正2DS5120M 100MHz示波器測量電源噪聲紋波電壓3自藕調(diào)壓器

13、用于電壓調(diào)整率測試5滑線變阻器作可變負(fù)載3、測試數(shù)據(jù)：電路主要測試數(shù)據(jù)如表3.2，詳細(xì)測試數(shù)據(jù)見附錄。表3.2 DC-DC各項(xiàng)主要指標(biāo)測試結(jié)果序號(hào)測試項(xiàng)目測試結(jié)果1輸出電壓圍最大圍22V44V，30V36V可調(diào)2最大輸出電流3.4A（過流保護(hù)斷開）3電壓調(diào)整率0.1%4負(fù)載調(diào)整率0.1%5輸出噪聲紋波測量370mV6DC-DC變換效率88.57過載保護(hù)測試能夠在要求圍正常動(dòng)作8顯示設(shè)定與附加功能能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能四：測試結(jié)果分析結(jié)合任務(wù)設(shè)計(jì)指標(biāo)與主要指標(biāo)的測試數(shù)據(jù)，設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了基本部分的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)達(dá)到了發(fā)揮部分的所有要求，而且在附加的簡單語音與設(shè)備溫度檢測上完成了特色功能的要求，且系統(tǒng)能夠長時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定工作。對于電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，軟件上采用了類似于P調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)方法，能夠有效的減小系統(tǒng)輸出電壓的靜差，但實(shí)際測量仍舊不能消除。分析原因可以解釋為按照控制理論補(bǔ)償算法中的P調(diào)節(jié)能夠減小靜差，但是無法消除靜差。對于輸出噪聲紋波的測量，由于在電源前級(jí)使用了電源濾波器，因而系統(tǒng)的