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1、精品名师归纳总结开关稳压电源系统设计方案摘要： 文章构建了基于 Boost 型变换器的 DC/DC变换器，系统以专用芯片UC3842 作为掌握核心，辅以 Atmega128 单片机稳固输出电压。利用 UC3842自身的电压电流环反馈，加上输出电压均值环设计成输出电压稳固可调的DC/DC 变换电路。本系统仍采纳了模拟PWM技术、在线爱护技术、人机交互技术。实 际测试说明该系统各项指标均达到或超过设计要求。随着电力电子技术的进展，电源装置大量显现在生产生活的各个领域，其电压电流的稳固性、电压调整率、负荷调整率、变换器的效率等因素将直接影响到用电及通信设备的正常运行，严峻时仍将影响到设备的安全性。因
2、此，如何改善上述各项指标，成为电源装置设计时需要考虑的重要因素。本文介绍一种行之有效的开关稳压电源的系统设计方案。1 方案论证1. 1 DC-DC变换器方案选取隔离变压器输出工频电压有效值为18 3 V ，经桥式整流滤波后输出直流电压约为 18 26 V 。要求开关电源的输出电压范畴在30 36 V之间稳固可调，单端反激式和Boost 直接变换式都可以满意要求。但是，考虑到单端反激式开关电源结构中的脉冲变压器在短时间内难以制作调整好，并且其制作工艺和选材对系统的效率影响很大，因此本设计制作选用Boost 电路作为功率变换器主电路，如图 1 所示。1. 2掌握方案选取可用于 Boost 变换器的
3、掌握方案较多，典型的有采纳单片机直接掌握或者用模拟掌握电路掌握等。Boost 变换器是一个具有低阻尼的二阶系统，采纳单片机的电压单环掌握的结构由于系统的不稳固性和数字算法的推迟，使得掌握环的低频增益不能太 大，影响输出电压的掌握精度。用运算放大器等构成模拟掌握电路，可以采纳电压电流双环掌握结构，有效的克服变换器的低阻尼特性并使输出电压的掌握可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结精度提高，但包括 PWM调制器、脉冲放大驱动电路等在内的模拟掌握电路结构复杂、牢靠性不高。鉴于单端反激式开关电源与 Boost 变换器具有相同的工作原理，其专用集成掌握芯片 UC3842 可以移植到 Boost
4、 变换器的掌握上来，所以本设计制作的掌握部分采纳集成掌握芯片 UC3842，以简化掌握电路设计并提高系统的牢靠 性， UC3842 掌握电路图如图 2 所示。以 UC3842 为基础构成的电压电流双环掌握的Boost 变换器当脉冲占空比大于0. 5 时，存在不稳固现象。为使系统稳固，要么降低掌握环的低频增益，要么实行斜坡补偿的方法，前者使输出电压的掌握精度降低，后者实现上要求比较严格。鉴于系统已设置单片机以满意监测显示功能的要求，可以利用单片机对Boost 变换器掌握系统进行校正，在系统稳固的前提下可以使输出电压的掌握精度大幅提高，而技术实现上切实可行，方案如图 3 所示。1. 3提高效率的方
5、法及实现方案可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结影响系统效率的主要因素有： a.功率变换器开关器件的开关损耗。b. 感性元件的铁损和铜损。 c.掌握电路的损耗等。其中，开关器件的开关损耗是影响系统效率的最主要方面，因此，除主电路结构尽量简化外，选用开通、关断比较快速、通态电阻小的功率MOS管作为主开关器件， Boost 二极管也选用超快复原二极管。感性元件主要是Boost 电感，选取铁损比较小的铁氧体为磁芯，尽量选用截面比较粗的漆包线以降低损耗。掌握电路的工作电源实行两种方式来降低损耗： 主掌握芯片 UC3842直接用主电路的整流滤波电路供电， 单片机和少量外围电路用自制的开关电源
6、供电。2 电路设计与参数运算2. 1主电路器件的挑选和参数运算2. 1. 1电感量运算主电路的主要参数为：整流滤波后的直流输入电压 18 26 V ，输出电压在 30 36 V范畴内可调，最大输出电流 2 A，开关频率取 10 kHz，Boost 电路工作在电留恋续工作模式 CCM） 。忽视电路的损耗，依据 Boost 电路输出电压表达式，可得 PWM占空比：最大占空比 Dmax发生在输入直流电压最低 18V） 而输出直流电压最高 36V） 的时候，最小占空比 Dmin 发生在输入直流电压最高 26 V ） 而输出直流电压最低 30 V ） 的时候，依据式 1 ） 运算 Dmax为 0. 5
7、、Dmin 为 0. 13 。取电感器电流的变化量为半载时输入电流的30 %，即：最坏的情形为占空比最小的时候，依据电流临界连续条件求得电感值为：实际取值 500 H。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2. 1. 2主开关管选取主开关管承担的最大漏源电压为最大输出电压36 V，考虑到过载条件，开关管最大实际漏源电流为：考虑到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐量分别取2. 5和 2 倍裕量，即应选取耐压高于 90 V，最大电流 12 A。实际选用 IRF3710 型 MOS管，最大漏源电压 100 V，最大漏极电流MHz。57 A，通态电阻 25 m ，最高开关频率超过12. 1.
8、 3快复原二极管选取二极管选取依据是通态平均电流：式中， 为波形系数。 IF AV ） 是实际通态平均电流。考虑到实际系统掌握时占空比的变动性，依据最大峰值电流 5. 75 A） 选取 FR607。2. 1. 4输出滤波电容选取设计输出电压的纹波小于 200 mV，考虑到负载电流可能达到容 Cf 运算如下：3 A，滤波电实际选用 1 000 F /50 V的电解电容。2. 2掌握电路设计与分析Boost 变换器掌握电路如图 2 ） 所示，输出电压经取样电阻 R1、R2 反馈到 UC3842 的电压误差放大器的反相输入端，与其内部基准电压Uref 比较之后得到误差电压 Ue，经过电压调剂器，送入
9、 UC3842的电流比较器，与主开关源极上的取样电阻 Rs 上取得的电流信号进行比较，产生PWM输出。电压调剂器 为 PI 调剂器 在该芯片 1 脚和 2 脚之间并积分电容和比例电阻）。开关频率由 UC3842 第 4 脚锯齿波发生器的定时电容、电阻确定其运算公式可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为：依据 UNITROD公司关于 UC3842 的特性图表，考虑到实际运行时脉宽占空比可能大于 0. 5 ，选取 Rt =16 k ，Ct = 9. 4 nF，对应的开关频率为 11 kHz。2. 2. 2电压反馈取样电阻最高输出电压为 36 V，电压调剂器的参考电压为 2. 5 V ，
10、反馈网络按无稳态误差原就设计，即：取 R1 = 35 k ，运算得 R2 = 8. 5 k。2. 2. 3电压调剂器设计电压误差放大器为比例积分放大器， Kp = 10 ，Ki =1 /3000。2. 2. 4电流取样电阻 Rs系统能正常工作的必要条件是送入UC3842的电流取样端 3脚） 的信号小于 1 V，且能达到电压调剂器送到电流比较器输入端信号的大小。设开关管的电流峰值时的信号大小为 500 mV，就：实际系统用 3 个 0. 33 电阻并联。2. 3爱护电路设计与运算由于主电路采纳 Boost 电路，单纯的封锁开关管的驱动信号并不能满意在线过流爱护的要求。为了实现系统自复原，在 Bo
11、ost 输出和负载之间增加 Buck 电路。 Buck 电路的开关管由单片机直接掌握，采纳电流霍尔作为电流传感器，单片机通过AD MAX19）7实时取样输出电流信号。当系统正常工作时，Buck 开关管直通。 一旦显现过流故障，单片机检测到故障信号后，可以两种方式实行爱护， 一种是限流输出爱护方式，另一种是封锁输出爱护方式。在限流输出爱护方式可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结下，单片机发出 PWM信号，掌握 Buck 开关管，降低输出电压，从而达到限制输出电流的目的，同时在液晶上显示故障。过流故障解除后，在输出封锁爱护方式下，单片机发出 Buck 开关管的封锁信号，切断输出电流。之
12、后单片机每隔 0. 5 s发出封锁解除信号，如过流故障排除，单片机停止发出封锁信号， 系统复原到正常状态。加入 Buck 电路后系统成本有所增加，但Buck 电感和电容正好构成了二级输出滤波器，以进一步降低纹波。由于正常运行时，Buck 开关管处于直通状态，对效率影响甚微。2. 4人机接口设计本系统中的人机接口包括键盘和液晶显示器。考虑到要求输出电压进行键 盘设定和步进调整，需要大量按键 如 0 9 数字键， +、 键，取消、确认键等） ， PS2 键盘的小键盘区刚好满意此要求，又 PS2 键盘通过 PS2 协议与单片机进行串行通信，接口简洁，易于实现，因此采纳 PS2 键盘作为系统输入设备。
13、设计指标又要求能显示输出电压、电流的测量值等系统信息，为了更好的美化显示界面，采纳掌握器为 RA8803 的 240 128 带国标字库液晶显示器。液晶显示器通过并行数据总线与单片机进行通信。2. 5帮助电源设计另外制作了小型的开关电源电路，用作系统掌握部分的工作电源。此小型开关电源的直流输入连接到主电路整流滤波输出之后，主电路接上沟通输入电以后，开关电源开头工作，向掌握电路供应工作电源。帮助电源设计为+ 5 V/100 mA、 12 V/100 mA 。2. 6效率分析及运算2. 6. 1掌握电路功耗经实际测试掌握电路各个部分的功耗如表1 所示。表 1 掌握电路主要器件正常工作时功耗2. 6
14、. 2 Boost主开关管功耗主开关管功耗由两部分构成：开关损耗和通态损耗。开关损耗估算为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中， UDS 为开关管阻断电压的峰值。 IDS 为开关管电流的峰值。 tr 为开关管上升时间。 trd 为开通推迟时间。 tf 为开关管下降时间。 tfd 为关断推迟时间。 fs 为开关频率。查阅 IRF3710手册相关数据和以上相关运算数据求得Pds = 0. 08 W。可见降低开关频率能明显降低开关损耗。通态损耗为：式中， ID 为通态平均电流。 Ron 为通态电阻。 D 为平均占空比。经粗略运算得出 Pdon = 0. 09 W。Boost二极管的
15、损耗由两部分构成：反向复原损耗和通态损耗。反向复原损耗估算为：式中， UDR 为二极管反向电压峰值电压的峰值。IDR为二极管反相复原电流峰值。 tr 为反向复原时间。向导通平均电流。fs 为开关频率。 UFD 为正向导通压降。IF 为正运算出 Pdd = 1. 14 W。2. 6. 3系统总效率3 软件流程图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结开关稳压电源系统软件流程如图4 。4 系统测试4. 1测试仪器系统测试所需测试仪器如下：EE1410合成函数信号发生器。 TEK 1002B数字储备示波器。 TEK 2024四通道隔离示波器。 UT88B 4 12位数字万用表。 直流稳压源。
16、MS8215 3 12位数字万用表。4. 2测试方案及数据4. 2. 1输出电压 Uo 可调测试输出电压可调测试方案： 负载采纳 20 电阻值，用 UT88B数字万用表监测负载电压。通过键盘输入设定电压，详细数据记录在表2 设定电压栏。按确认键后读出数字万用表显示的电压，详细数据记录在表2 中实际电压栏。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结表 2 输出电压可调测试数据4. 2. 2电压调整率测试电压调整率测试方案： 负载为可调阻性负载，用 UT88B 万用表分别监测隔离变压器输出电压 U2 ） 和负载电压 Uo ） 。调自耦变压器，使 U2 分别为 15 V 和 21 V ，同时调
17、滑动变阻器，使负载电流维护在 2 A ，分别记录两次负载电压 Uo1 = 36. 03 V ） ，Uo2 = 36. 04 V ）。依据题目所给出的相关公式可运算出电压调整率：4. 2. 3负载调整率测试负载调整率测试方案： 分别用 UT88B 万用表监测隔离变压器输出电压 ，Uo2 = 35 93 V 。依据相关公式可运算出电压调整率：4. 2. 4 DC-DC变换器效率测试DC-DC变换器效率测试方案： 调剂自耦变压器使隔离变压器输出电压 U2 ） 为 18 V ，调整变换器使输出电压 Uo ） 为 36 V ，调剂负载使输出电流为 2 A ，用 UT88B万用表检测并记录此时DC-DC变
18、换器输入输出电压， 输入输出电流：运算出变换器效率：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4. 2. 5输出纹波电压测试输出纹波电压测试方案：调剂自耦变压器、变换器输出电压、负载使U2为 18 V ，Uo 为 36 V ，输出电流为 2A 。使用 TEK 1002B数字储备示波器在AC 耦合、时基 25 ms /div测量输出电压纹波 Uopp ，其示波器输出纹波电压图如图 5 所示。图 5 输出纹波电压图4. 2. 6过流爱护动作电流测试本系统可以有两种过流爱护模式，模式一：限流爱护。 模式二： 封锁爱护。两种爱护均可通过键盘设定爱护电流的阈值，并自复原。限流爱护测试方案：UT88
19、B监视负载电流，负载为滑动变阻器，分别设定爱护电流为2 A 、2.5 A 、3 A 。调整滑动变阻器分别记录最大输出电流 即为爱护电流） 。然后减小电到阈值以下，测试值能否降低到爱护电流以下。封锁爱护测试方案： UT88B监视负载电流，负载为滑动变阻器，分别设定爱护电流为2 A 、2. 5可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结A、3 A 。调整滑动变阻器，使负载电流渐渐接近设定电流值。记录负载电流是否被封锁到 0 ，测试结果见表 3 。表 3 过流爱护模式测试结果由表 3 可知，最大输出电流为设定电流值，能自复原。说明本系统过流爱护作用明显，并可自复原到正常状态。5 结语综合分析各项指标的测试结果，本系统各项指标均达到或超过设计指标。系统实际效率应略低于理论运算值，主要是由于运算中没有涉及boost电感等损耗，进一步提高效率的措施是采纳同步整流取代二极管整流等措施，本系统是一种较为抱负的设计方案。正式声明：本网站全部公开信息版权均属于深圳市波光电子有限公司简称：波光电子 ）全部，任何单位或个人使用或转载本网站内容前需征得波光电子的同意，波光电子保留本站点内容的最终解权。可编辑资料 - - - 欢迎下载