全国大学生电子竞赛-开关稳压电源设计

开关稳压电源设计摘要基于电路设计的要求，开关稳压电源电路主要由隔离变压、整流滤波、DC-DC变换器、控制系统、显示等电路模块组成。选择了Boost升压变换器实现DC-DC变换，电路结构简单，转换效率高；选用小导通电阻、高开关速度的IRF640管为开关管，选用快速恢复二极管RHRP15120整流，减少反向导通时间，降低损耗。控制系统选用单片机ADuC812和脉宽调制控制器SG3525通过双闭环回路共同控制DC-DC变换电路，实现输出电压稳定、可调；SG3525产生高频脉冲控制DC-DC变换，ADuC812实现显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对ADuC812进行控制、显示和人机交换等功能。通过实验验证电路实现了设计要求的全部基本指标，并且DC-DC变换效率达到85%。电路设计还有很多不足，各项设计指标还有待进一步提高。1系统方案设计与论证1.1设计思路基于题目的基本要求，可以采用图1所示的方案。系统主要由隔离变压、整流滤波、DC—DC变换器、控制系统、显示等电路模块组成。隔离变压模块实现220VAC变压为18VAC，再经整流滤波电路转换为直流电压；控制器模块实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、DC—DC电压输出控制和稳压、显示、人机交换等功能;过流保护电路实现输出电流过流保护功能；同时，电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。1.2方案的论证1.2.1DC-DC主回路拓扑设计的要求是进行升压变换，选择了Boost变换器。Boost换器电路结构简单，由开关管、二极管、电感、电解电容等元件组成，便于进行电路设计，稳压性能优，并且转换效率高。原理图如图2所示。开关稳压电源设计报告（2）[接（1）]1.2.2控制方法及实现方案控制系统有两种设计方案：(1)方案一：单片机来实现整个系统的控制。该方案的优点：布线简单，硬件设计节省时间；该方案的缺点：⒈控制软件编程工作量大、难度大；⒉所有的控制都由单片机来实现，对单片机的硬件资源要求很高；⒊该设计要求对DC-DC变换器实现PWM控制的开关频率至少要为100KHZ，这是单片机难于实现的。（2）方案二：单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。该方案的优点：⒈控制系统软件编程工作量较小，难度不大；⒉用脉宽调制型控制器实现PWM控制，产生频率为100KHZ的脉冲较容易，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性好；⒊单片机控制的任务较轻，对单片机硬件资源要求不高。该方案的缺点：⒈硬件电器设计难度较大；⒉电路板布线工作量较大。经过方案比较与论证，最终确定用方案二-----单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。系统的组成框图如图2所示，脉宽调制器产生高频脉冲直接控制DC-DC变换模块，单片机实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对脉宽调制器进行控制、显示和人机交换等功能;过流保护电路使负载电流不超过2.5A；负载电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。1.2.3提高效率的方法及实现方案设计电路时，采取了以下方法降低损耗，提高DC-DC转换效率：⑴通过提高工作频率，让工作频率达到100KHZ；⑵选用小导通电阻、高开关速度的MOSTET，降低MOSFET开关损耗。选用了IRF640（VDSS=200V，RDS(on)0.18，ID=18A）⑶选用快速恢复整流二极管，减少反向导通时间，减少损耗。选用了肖特基二极管RHRP15120，恢复时间trr65ns。2电路设计与参数计算2.1DC-DC回路器件的选择及参数计算根据设计任务的要求---电感电流连续模式的Boost变换器，输入电压Vs=18～24V，输出电压Vo=30～36V，输出电流Io=0～2A,开关频率fs=100kHZ,设定纹波电流ΔVo＜1V，分别计算电感、电容器和二极管的参数：开关稳压电源设计报告（3）[接（2）]2.2控制电路设计与参数计算控制系统是设计的关键部分，由单片机系统和脉宽调制控制器共同来控制DC-DC变换电路，实现电压稳定输出，达到设计的所有指标。单片机选用高集成度自带D/A和A/D转换的单片机ADuC812；脉宽调制控制器选用具有欠压锁定、系统故障关闭、软起动延时PWM驱动等功能的SG3525芯片。控制系统的电路图如图3所示，采用双闭环控制电路来实现输出电压稳定。负载的电压经R1取样反馈到SG3525的引脚1端（误差放大器反向输入端）；单片机ADuC812采集R1取样电压，通过软件进行PID调节，D/A转换后反馈到SG3525的引脚2端（误差放大器同向输入端）；SG3525的引脚1、2的电压通过芯片内部误差放大器比较并输出误差电压Vea，Vea通过比较器与锯齿波进行比较，11脚输出一个脉宽可变的PWM脉冲来调节DC-DC变换电路，最终实现输出电压稳定、可调。2.3保护电路设计与参数计算如图3当电路稳定输出36伏，若流经负载的电流为2.5安，R7（阻值0.3欧，康铜丝扰制）的压降为0.75V，即第10引脚电压为0.75伏，触发PWM输出关闭，实现了电路过流保护功能，动作电流为Io(th)=2.5+0.2A。2.4数字设定及显示电路的设计数字设定及显示功能由单片机ADuC812来实现，具体的电路设计和控制程序见附录。通过按键设定送到SG3525的电压、调节数码管的显示模式,按键详细功能如下:键1:模式键-----切换上升/下降功能、电流显示和电压显示。键2:上升键3:下降开关稳压电源设计报告（4）[接（3）]3测试方法与数据3.1测量输出电压U0可调范围通过调节给定变阻器或D/A输出电压调节SG3525第2脚输入给定电压,用数字万用表测量输出端可稳定输出30～36V。调节第2脚电压，测得输出电压的实验数据如表1所示。2脚电压(V)1.981.921.871.831.761.701.65输出端电压(V)36353433323130表1输出电压调可调范围3.2测量输出电流Iomax选用18欧大功率电阻,在直流输出电压为36伏时,通过万用表测得输出电流达到2A。3.3测量电压调整率SUDC-DC模块，输入电压U2从15V变到21伏，输出电流为2A时，对应的输出电压Uo和电压调整率SU实验数据如表2所示。开关稳压电源设计报告（5）[接（4）]U2(V)15161718192021Uo(V)35.2935.3135.3435.9236.6536.6836.71SU1.97%1.92%1.83%0.22%1.82%1.89%1.96%表2电压调整率SU实验数据3.4测量负载调整率SI负载空载时,输出端电压为36V；负载电流为2A时,输出端电压为34.7V。可计算出电压调节率3.61%＜5%3.5测量输出噪声纹波电压峰峰值先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大观察和测量（自动测量或光标测量均可），同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析最大纹波电压（用纹波电压峰峰值表示）。当输出电压为36V时，不同时段经多次测量纹波峰峰值Uopp≤1V。