全国大学生电子设计大赛论文

开关稳压电源编号E甲0512学校青岛大学学生刘刚吴新明王悦队指导教师刘丹赵岩岭王贞目录一、方案论证................................................................................................................11.1系统总体方案论证..........................................................................................11.2DC—DC主回路拓扑结构选择及论证..........................................................21.3PWM控制芯片的选择....................................................................................3二、系统的硬件设计....................................................................................................32.1DC—DC主回路的设计..................................................................................32.1.1整流桥的选择........................................................................................32.1.2滤波电容的选择....................................................................................32.1.3开关管的选择........................................................................................32.1.4开关变压器的设计................................................................................32.1.5快恢复二极管的选择............................................................................42.1.6输出滤波器的选择................................................................................42.2PWM控制回路的设计....................................................................................42.3单片机控制电路的设计................................................................................52.3.1键盘模块和显示模块的设计................................................................52.3.2语音电路功能的设计............................................................................52.4光电耦合电路的设计..................................................................................52.5电流采集电路的设计..................................................................................5三、系统的软件设计....................................................................................................5四、测试方法................................................................................................................6五、结论........................................................................................................................6摘要本系统通过单片机和PWM控制芯片构成的控制电路和半桥式变换器构成主回路，实现了输出电压可调的开关稳压电源。系统可以通过键盘或步进设定电压值，并可以通过LCD实时显示设定电压、输出电压、输出电流和误差。另外，系统还实现了掉电保护、故障语音报警和故障排除后的自恢复功能。系统主要由低频整流滤波、半桥式变换器、开关变压器、高频整流滤波、PWM控制模块、单片机控制系统、信号采集模块、光电隔离模块等部分构成。该系统输出电压调整范围宽、稳定性高；输出功率高；带负载能力强；性能安全可靠、操作简单、实用性强。关键字：单片机PWM控制半桥式变换器开关变压器1一、方案论证1.1系统总体方案论证开关电源因为其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点日益得到广泛的应用。目前，国内外开关稳压电源的发展的趋势是不断提高输出效率和输出功率。要提高输出的效率，必须提高电源的开关频率。这就对电路中其它器件的频率特性提出了更高的要求。可控的开关稳压电源重要的设计方案有以下两种：方案一：基于FPGA的开关稳压电源根据开关电源的原理，经AC/DC/DC变换过程来实现稳定输出电压的功能。其工作过程如下：市电经隔离变压器降压后，通过整流桥整流，电容器滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换过程；通过由FPGA产生PWM调制波控制开关管的通断，输出高频的直流脉冲，经储能电感平波、电容高频滤波后，输出可调的直流电压。如图1.1所示。方案二：单片机和开关电源专用PWM芯片相结合的开关稳压电源根据方案一中AC/DC//DC的设计思路，使用单片机与专用的PWM调制芯片相结合的方式来控制开关管的导通。不断检测电源的输出电压，并将采集的输出电压信号分为两路：一路直接反馈到PWM集成芯片的反馈输入端，构成连续的闭环控制系统；另一路经A/D转换器变为数字信号送入单片机处理。根据电源输出电压与设定值之差，调整D/A转换器的输出，控制PWM芯片，间接控制电源工作。作为辅助的反馈调节。另外，还可以通过对输出电流进行采样，输入到单片机中，实现过流保护。如图1.2所示。AD/DC开关管电压采样负载负FPGA显示键盘滤波电路图1.1基于FPGA的开关稳压电源原理框图开关管负载负稳压管PWM芯片模/数转换单片机树/模转换电压采样滤波电路AD/DC整流图1.2单片机和开关稳压专用PWM芯片相结合的开关稳压电源原理框图2以上两个方案中，方案一使用FPGA使用的是离散数字PWM调制方式，所以输出的PWM的最高频率只能达到25kHz，输出电压纹波较大，影响输出电压的指标，故难以达到设计要求。而方案二采用双闭环控制方式，开关频率达到100kHz，输出电压稳定，纹波成分少，能够达到题目的设计要求。因此，选择方案二。本系统的原理框图如图1.3所示：1.2DC—DC主回路拓扑结构选择及论证方案一：采用全桥变换器拓扑，如图1.4所示。在全桥电路中，其变压器双向励磁，容易达到大功率，但其结构复杂，存在直通问题，需要复杂的多组隔离驱动电路。另外，使用的开关管多，功率损耗较大；图1.4全桥变换器拓扑图图1.5半桥变换器拓扑图方案二：采用半桥变换器拓扑，如图1.5所示。在半桥电路中，对使用的功率开关管耐压要求更低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。更重要的是，半桥电路较之全桥电路使用的开关管要少，损耗更少，在保证满足输出功率要求的前提下，利于效率的提高。鉴于其优点，选择方案二。PWM芯片电压采样D/AA/D1MCUA/D2电流采样图1.3系统原理框图隔离变压器整流滤波开关电路开关变压器整流滤波隔离电源～220V30～36V光电隔离报警键盘显示隔离电源光电隔离31.3PWM控制芯片的选择PWM控制芯片的选择主要考虑输出的PWM信号的频率和幅度，能否达到效率和开启开关管的要求。PWM信号的频率越高，效率越高，并且设计的开关变压器的体积越小。目前比较常用的PWM控制芯片的有TL494和SG3525。TL494内有两个误差放大器，能同时实现电压模式的控制和电流模式控制，但在本系统中不能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，不便于实现过压和过流保护。SG3525具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便的实现过压和过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180度的PWM信号，结合开关电路，能有效地减小输出电压的纹波。输出的PWM信号的频率在100～400kHz之间可调，信号的幅度可通过外接电源Vcc控制，达到开启开关管的要求。另外，SG3525还可以将输出电压采样反馈，形成硬件闭环提高了稳压精度。综上考虑，本系统选择方案二。二、系统的硬件设计2.1DC—DC主回路的设计2.1.1整流桥的选择整流桥的选择主要考虑流过二极管的平均电流和耐压值要满足设计要求。本系统选择的是RS1010G，该整流桥的平均电流为10A，耐压为50V。2.1.2滤波电容的选择滤波电容的选择主要考虑极性滤波电容的耐压要满足设计要求。本系统选择的是耐压为50V，容值为4700μF的极性电容。2.1.3开关管的选择开关管的选择主要考虑其开关速度、管压降和允许通过的电流等指标。本系统选择了IGBTGTP20N60C3作为开关管，GTP20N60C3为电压型开关管，其驱动功率较小，开关速度可达100KHz，允许通过电流较大能达到20A，导通管压降为0.7V，性能优于其它开关管，可以达到设计要求。2.1.4开关变压器的设计根据设计要求，工作频率为：kHzsf100，则skHzsfT10100/1/1，为了达到要求的输出效率，变压器的效率选为%90，留有一定的余地，输出功率最高选为WoP135。选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其材料的饱和磁感应强度为TBm15.0，电流密度j=400A/cm2。1、磁芯的选择对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时，磁芯的几何面积S和窗口面积4Q与输出功率oP满足关系jKKBfoPSQucms2104，其中，1cK，3.0uK。代入得556.0SQ4cm。查手册可知，EE42B磁芯的278.1cmS，20286.1cmQ，则40831.1cmSQ，SQ值大于计算值，满足设计要求。2、计算原副边绕组匝数VUi18min，VUd6.21min，VUp8.10min，sDTton5.49.0102121maxmax，12104maxmin1SBtUNmonp，9.45maxmaxDUUUUzfoo，51min02NDUUNmsxp。3、计算绕组导线线径穿透深度mmfs209.01.66，允许最大线径mmd418.02max。副边绕组导线截面积为2275.0mmJIAoc，选用d=0.59mm的漆包线，则57.7)2(222dANc，取8股并绕。原边