開關穩壓電源

摘  要

該電源以單端反激式DC-DC變換器為核心。市電通過自耦式調壓器，隔離變壓器，整流濾波后產生直流電壓，經DC-DC變換得到題目所需輸出電壓，實現了開關穩壓電源的設計。DC-DC變換器采用脈寬調制器（PWM）UC3842，通過調節占空因數使得輸出電壓UO在30V～36V范圍內可調；微控制器與鍵盤顯示構成了控制顯示模塊，能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調整，并顯示輸出電壓、電流的測量和數字顯示功能，形成了良好的人機界面。

關鍵詞：DC-DC變換器，脈寬調制器（PWM）

1         方案論證

1.1       DC-DC主回路拓撲

適合本系統的DC-DC拓撲結構為單端反激式DC-DC變換器，利用UC3824芯片作為控制核心，該芯片抗電壓波動能力強，并可使負載調整率得到明顯改善，而且其頻響特性好，穩定裕度大，過流限制特性好，具有過流保護和欠壓鎖定功能。

1.2       控制方法及實現方案

手動輸出電壓調節采用電位器改變取樣回路的上下比電阻比值來改變輸出電壓，使其滿足題目要求，該方案電路結構簡單，實現方便。

鍵盤設定通過單片機改變模擬開關接通通道，選取取樣回路的電阻節點位置，改變取樣回路的上下比電阻比值來改變輸出電壓，實現發揮部分的鍵盤設定功能。

1.3       提高效率的方法及實現方案

在DC-DC變換器中，主要消耗功率的元件有主回路的開關管、續流二極管、儲能電感等部件。本設計中提高效率的措施主要有：

通過增加電感線徑減小電感阻值；

采用低內阻的高效率MOSFET作為主回路的開關元件；

采用高速低正相壓降的肖特基二極管降低其功耗。

2         電路設計與參數計算

2.1       電路整體設計

本設計以DC-DC變換器為核心，輔以隔離變壓、整流濾波、控制顯示等功能模塊，完成開關穩壓電源各項功能（見圖1 系統框圖）。

控制 顯示

圖1 系統框圖

通過調節滑動變阻器改變占空比實現輸出電壓的變化，使其滿足題目要求（見圖2 電路原理圖）。

圖2 電路原理圖

2.2       主回路器件的選擇及參數計算

開關電路核心電路（見圖3）。

圖3開關電路核心電路

在主回路的器件選擇中主要是電感和電容，其中電感的選擇方法計算如下：

各參數定義：

Ioff：場效應管關閉時流經電感的電流

Ion：場效應管導通時流經電感的電流

Vin：經整流濾波后輸出電壓

Vo：輸出電壓

VL：電感兩端電壓

T：  開關周期

Ton：一個周期內開關導通時間

Toff：一個周期內開關關閉時間

D：占空因數

流經電感的電流表達式：i(t)=i(0)+∫VL/Ldt

MOSFET導通時流經電感的電流：iL=Ioff+∫VL/Ldt=Ioff+VL*t/L

MOSFET關閉時流經電感的電流：iL=Ion-∫(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，則：

Ion=Ioff+Vin*Ton/L                     (1)

Ioff=Ion-(Vo-Vin)*Toff/L               (2)

由(1)(2)兩式可得：

Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)

上式即為開關電路的輸出電壓與輸入電壓的關系。

在導通期間電路消耗的能量為：

Eon=∫P(t)dt=∫i(t)Vindt=∫(Ioff+Vin*t/L)Vindt= Pout*T，得:

Ioff=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton

在開關電路的導通和關閉時期，電感的電流應是連續的，需滿足：Ioff>=0則：L>=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf

當D=1/2時，Vo=2Vin,上式右邊取最大值，此時：L>=Vo2/32Poutf

題目要求：輸入電壓Vin的范圍是15V到21V,輸出電壓Vo的范圍是30V到36V。

由于經整流濾波后電壓會有所提高，一般滿足：

Vinmin=15*1.2V=18V

Vinmax=21*1.414-1.5=28V

Vomin=30V

Vomax=36V

于是：

Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067

Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要達到50%。

若取f=100kHz,Iomin=0.1A，則可計算出Lmin的取值可為0.1mH。

2.3       控制電路設計與參數計算

通過調節滑動變阻器改變占空比，實現輸出電壓的調節.

為滿足輸出電壓在30~36V可調，則R5、Rw、R6滿足如下方程組

VOMAX=VREF[1+(R6+RW)/(R5+R6+RW)]

VOMIN=VREF[1+R6/(R5+R6+RW)]

經計算可得R5=27KΩ,Rw=5KΩ,R6=2KΩ

保護電路設計與參數計算

TL3824芯片內部有一引腳Isense，外接電阻和電容，即可實現過電流和過電壓保護功能。

根據TL3842的參數，Isense端的保護電壓為1V，而流過MOSFET的峰值電流位3.8A，由此可計算出電流傳感的電阻為：

RS=1V/3.8A≈0.25Ω

另外可取濾波回路的

R =1KΩ  C=0.1μF

2.4       數字設定及顯示電路的設計

     使用單個微控制芯片AT89S52就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能，電路簡單，使用方便，性能穩定。其原理圖如下所示。

本系統軟件設計采用分任務模塊式，分別為控制，鍵盤、顯示模塊完成賽題的發揮要求。總體軟件流程圖（見圖2 軟件流程圖） 

SHAPE \* MERGEFORMAT

AD0809

單片機 AT89S51

顯示部分

置數

V/A檔切換

復位

鍵盤82C79

圖2 軟件流程圖設計方法

將七個等值的電阻串聯起來，并用模擬開關分別與之相連，通過單片機控制模擬開關，即可調整脈沖的占空比，從而調整輸出電壓并實現電壓的步進值為1。把輸出電壓經分壓后送到A/D,然后通過數碼管顯示其電壓值。測電流時只需在輸出端接一個精密電阻，把電流值轉化為電壓值然后輸到A/D轉換器，通過數碼管顯示其電流值。

3         測試方法與數據

3.1       測試方法

測試輸出電流電壓時，采用最大阻值為20Ω的滑動變阻器（10A /200W）作為負載，在額定功率下，用數字萬用表測量其電壓電流值。

測試電壓調整率時，通過調節自耦調壓器使輸入電壓從15V變到21V，在額定負載下，測量輸出電壓的變化。

測試負載調整率時，在U2=18V的條件下，改變負載阻值使輸出電流從0A變到2A，測量輸出電壓的變化。

測試輸出噪聲紋波電壓峰-峰值時，在U2=18V,UO=36V,IO=2A條件下，利用模擬示波器觀察輸出波形。

測試DC-DC變換器的效率時，用數字萬用表測量輸入電壓電流、輸出電壓電流，根據h=PO/PIN即可算出DC-DC變換器的效率。

測試過流保護時，調節負載使輸出電流達到2.5A，用數字萬用表測其輸出電壓。

3.2       測試儀器

測試使用的儀器設備如表1所示

表1 測試使用儀器與設備

3.3       測試數據

輸出電流電壓測試

通過調節滑動變阻器可使輸出電壓在29.58V到36.80V之間變化，其測試數據如下所示

序號

1

2

3

4

5

6

7

電壓（V）

29.58

31.00

32.00

33.01

34.00

35.00

36.00

電流（A）

1.999

2.000

1.998

2.001

2.002

1.990

1.900

電壓調整率測試    

輸入電壓

15

17

19

21

輸出電壓

35.70

35.90

36.10

36.30

電壓調整率==1.4%，滿足題目基本要求。

負載調整率測試

輸出電流

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

輸出電壓

36.10

36.05

35.95

35.90

35.00

10.00

負載調整率==3.05%，滿足題目基本要求。

輸出噪聲紋波電壓峰-峰值測試

把輸出電壓接到模擬示波器輸入端，從輸出波形大致可以看出輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP=0.6V,滿足題目基本要求。

DC-DC變換器的效率測試

輸入電壓（V）

15.00

16.00

17.00

18.00

19.00

20.00

21.00

輸入電流（A）

6.800

6.000

5.501

5.200

5.000

4.800

4.600

輸出電壓（V）

35.90

36.00

36.01

36.00

35.99

36.00

36.07

輸出電流（A）

1.990

2.010

2.000

1.998

1.980

1.900

2.000

效率（%）

70.04

75.38

77.02

76.80

75.01

75.33

74.68

從上表可看出，當U2=18V,UO=36V,IO=2A時，DC-DC變換器的效率為76.8%，滿足題目基本要求。

過流保護功能測試

輸出電流（A）

2.300

2.500

2.700

輸出電壓（V）

15.00

10.00

9.00

從上表可以看出，在輸出電流超過2A時，輸出電壓明顯下降，起到過流保護作用。

4         測試結果分析

4.1       誤差分析

電阻在溫度上升時阻值會變小，使計算結果產生偏差。

整個電路板由手工焊接完成，其余器件在單面板上完成布局和布線，無法避免線路之間與外界的電磁干擾，從而導致一定的誤差。

4.2       改進措施

選用溫度變化系數相對較小的電阻，減小計算結果產生的誤差。

5         參考文獻

[1] 黃智偉 主編，王彥、陳文光、朱衛華 編著《全國大學生電子設計競賽訓練教程》電子工業出版社。

[2] 童詩白、華成英 主編。《模擬電子技術基礎》。高等教育出版社，2001。

[3] 鄭國川、李洪英 編著。《實用開關電源技術》。福建科學技術出版社，2004。