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摘要：作品以通用开关电源控制芯片SG3525为核心，采用资源丰富、低功耗的单片机C8051F020作为系统的主控芯片。SG3525、专用MOS驱动MC34152、MOS管IRF61N15D以及高频变压器组成的推挽式升压系统，单片机通过其内部AD、DA和外扩键盘对系统输入输出电压电流进行实时采样和监测，并对输出电压程控调节。系统以专用键盘管理芯片ZLG7290和点阵式液晶作为输入输出器件，操作灵活，界面友好。经过测试，作品达到了题目基本要求和扩展要求的全部功能。关键词：SG3525、推挽式、C8051F020AbstractThisdesignfiguredthepowermanagementICSG3525asthehardcore,andusesthelowpowermicrocontrollerC8051F020asthecontrolunitofsystem.SG3525,professionalMOS-DriveMC34152,MOSFETIRF61N15andhighfrequencytransformerformaPULL-UPbipolarsystem.TheinnerDACandADCofthemicrocontrollerC8051F020performthesamplingandsupervicingofinputandoutputvoltageandcurrent.ThissystemadoptsthekeyboardcontrolICZLG7290andtheLCDastheinputandoutputdevice,whichmaketheoperationveryflexible.Accordidngtoourtestresult,allparametersofthissystemmeetthebasicandexpandrequirement,andmostoftheparametersevenexceedtherequirement.Keywords:SG3525,PUSH-PULL,C8051F020一系统设计方案与论证1.1各模块方案论证与选择下面就DC/DC升压拓扑结构的选择和系统控制等关键模块的设计方案进行讨论与分析1.1.1DC/DC升压题目要求AC输入从15V到21V（经过整流滤波之后大约是DC20V到29V），输出30V到36V可调，这是一个DC/DC升压过程，下面就常见的几种DC/DC升压拓扑结构进行讨论和分析。方案一：并联式结构（如图一a）图省该电路是升压电路最基本的拓扑结构，后续所有的升压电路都是从该电路演化过来的。优点：电路简单，外围所需的元件少，效率可以做到很高。缺点：电路功能单一，输出功率比较大时开关管需要承受很大的脉冲电流。方案二：单端正激式（如图一b）图省该电路与方案一唯一区别是使用了变压器，可以做隔离式升压电路优点：电路相对简单（与后面叙述的方案相比），外围元件少。缺点：开关管关断时，变压器容易磁饱和，需要加上磁通复位电路。方案三：单端反激式（如图一c）图省从原理图上看与正击电路很相象，但工作原理不同，脉冲变压器的原/付边相位刚好相反。优点：电路相对简单（与后面叙述的方案相比），外围元件少。缺点：由于变压器存在漏感，将在原边形成很大电压尖峰，可能击穿开关器件。需要设钳位电路予以保护方案四：推挽（变压器中心抽头）式（如图一d）图省这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断。优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。缺点：如果电流不平衡，变压器有饱和的危险、变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。方案五：全桥式（如图一e）图省这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。桥式方案选择：结合题目对电源功率、稳定度、纹波、效率、数字控制等功能要求与上述各方案的比较，也出于对时间、电路的复杂程度以及之前对各种电路熟悉程度的考虑，选择了推挽式结构做DC/DC升压，并且选用了美国通用公司的脉宽调制集成控制器SG3525做功率主控核心，内部框图见附图1。1.1.2控制与显示根据题目要求，需要对输出电流电压的采样显示和对输出电压的程控，所以系统中必须至少有两路AD和一路DA，为了减少控制电路的复杂性和额外的功耗，选择SILICON公司的低功耗单片机C8051020作系统主控电路，其内部集成了一个12位8通道AD和两路12位DA，当工作在2M的时钟下功耗小于1mW，由于显示的数据内容较多，我们选用低功耗的LM3033液晶作数据显示，电流采样电路中利用了微功耗、高线性度直流霍尔传感器，使采样控制电路与功率后级相互隔离。1.2系统整体的最终方案综合考虑以上各个模块的设计方案，开关稳压电源的系统结构框图如下图所示。图省二系统软硬件设计和实现2.1硬件电路设计硬件设计中主要包括器件选择、DC/DC升压功率电路、单片机系统电路、欠压、过压、过流保护电路和输入输出电压电流采样电路2.1.1DC/DC升压电路2.1.1.1器件选择与参数计算根据题目要求和所选方案，选择SG3525做功率主控核心，由于SG3525的PWM输出级最大只能提供200mA的输出或吸收电流，不足以驱动MOSFET，专用双低管MOS驱动MC34152最大能输出1.5A的电流，也正好符合当前选择的推挽结构所需的两路驱动；在推挽结构中，MOS管关闭时需要承受至少电源电压两倍的电压值，根据题目要求，输入AC15V～21V，整流之后最高电压接近30V，MOS管的耐压一般要超过60V，因此所以我们就直接选择手上现有耐压150V、导通电阻只有28毫欧的IRFD52N15D；变压器选择了PQ4040磁芯，足以传输最大的功率，且输出选择了正向压降较低的肖特基做整流，与普通的整流二极管相比，在相同的电流下，可以降低一半的损耗2.1.1.2功率控制电路的设计与参数计算主回路原理图如图三，图省PWM调制芯片：SG3525主频设定：设定开关管工作频率为50KHz，则调制芯片的振荡频率为100KHz，变压器磁芯：本设计是PQ4040在磁芯有足够余量的情况下设计的。变压器设计：根据法拉第定律可得：，Up为输入电压的最高值，为28V；K是波形系数，方波的波形系数是4；开关频率我们定为50KHz；N是所要求的线圈匝数；B是磁芯所能承受（不饱和）的磁场强度，PQ4040磁芯（PC44材料）B值为0.2T；磁芯有效面积为201平方毫米。所以有：。取原线圈为4匝+4匝。设原边最小输入电压为16V，副边最大输出电压为42V，所以原副匝比2:7，副线圈为14匝。实际上由于绕制变压器工艺的限制，我们的变压器的原线圈是以绕满一层为止，前提是匝数不小于4，副线圈的匝数按匝数比来绕制。后级滤波电感设计：由磁通链可得：，滤波电感磁芯采用PQ3230，其中B=0.2T，S=161平方毫米。由于输出电压及电感上的压差大，一般让电路工作在非连续模式。三测试数据与结果分析3.1测试仪器：（1）DH1718-5型双路跟踪稳压稳流电源（2）YB2812LCR数字电桥（3）TDS1012B数字示波器（4）UT52型四位半万用表（5）300W51Ω变阻器、100W1KΩ变阻器3.2测试数据：3.2.1、输出电压可调范围测试：（测试条件RL=45Ω;测试电路框图如图五a）经过测试，该电路的输出电压范围是20V到38V，有1V步进和0.5V步进。下面列出的是30V—36V预设值和实际输出值的对比表：3.2.2、最大输出电流测试及过流保护测试：(测试电路框图如图五b)经测试，该电路的输出电流可以达到2A以上，约2.5A电流输出时关断开关器件，进行过流保护，并发出警报。在1秒后，电路将进行软启动，在排除过流故障的情况下能够进行自动恢复，否则继续过流保护。该部分的功能达到了基本部分和发挥部分的要求。3.2.3、负载调整率测试：（测试条件U2≈18V，Vo=36V;测试电路框图如图五c）测试数据：输出电流空载0.2A0.5A0.8A1A1.5A2A预设电压30V31V32V33V34V35V36V实测电压30.09V31.09V32.08V33.08V34.06V35.09V36.08V输出电压36.06V36.05V36.05V36.03V36.03V36.02V36.01V负载调整率UI≈（36.06-36.01）/36≈0.14%远超出题目的发挥部分的指标。3.2.4、电压调整率测试：（测试条件Vo=36V，Io=2A;测试电路框图如图五d）测试数据：交流输入15V16V17V18V19V20V21V直流输出36.07V36.07V36.08V36.08V36.08V36.08V36.09V电压调整率Su≈(36.09-36.07)/36≈0.06%远超出题目的发挥部分的指标。3.2.5、输出噪声纹波电压峰峰值测试：用示波器的20ms/div、200mv/div的量程测量输出电压的纹波为200mV左右。示波器测试图象见附件附图5。3.2.6、DC/DC变换器效率测试:（含单片机等控制电路;测试条件：U2≈18V，Uo=36V,测试框图如图（五）e）输入电压Ui输入电流Ii输出电压Vo输出电流Io效率22.9V1.001A36V0.55A86.4%21.9V1.95736V1.05688.7%21.1V2.89836V1.50588.6%20.74.02536V2.04688.4%3.3测试结果分析：作品的所有的功能指标都达到了题目的要求，效率也在低电流输出的时候效率比较高，说明静态工作电流设置得比较低，而且控制电路的功耗也比较低。但大电流比较大的时候，效率下降了，一方面是由于铜损和磁损加大（可能变压器绕制上有些不足），另一方面是整流二极管在大电流的时候正向压降比小电流的时候大，损耗所占的比例加大，效率下降。四结论作品达到了题目所有基本和扩展的功能和指标的要求：1、实现输出电压可调范围：20V-38V2、最大输出电流：大于2A3、U2从15V变到21V时，电压调整率为0.06%4、Io从0变到2A时，负载调整率为0.14%5、输出纹波峰峰值为200mV6、DC/DC变换器的效率大于85%7、具有过流保护，动作电流约为2.5A，且有自恢复功能8、具有输入输出电压电流测量与显示9、有过压、欠压保护功能五问题及改进措施1、在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题，导致整机会有一个100Hz的工频干扰。改进措施是系统地线不能出现环路，所有地线最好一点接地，包括单片机的数字地和模拟地。2、在变压器设计的时候，线圈匝数过多会出现铜损加大，虽然铁损减小了，但是得不偿失。3、由于该电路的输出结构会使整流二极管要耐两倍以上的变压器输出电压，一般100V的肖特基二极管不能满足整流要求，所以用上快恢二极管，这使得效率有所下降。六参考文献[1]王志强等《开关电源设计第二版》电子工业出版社2005.9[2]曲学基等《新编高频开关稳压电源》电子工业出版社2005.7