开关稳压电源论文.pdf

1 开关稳压电源 摘要 采用 TL494 作为开关稳压电源的核心控制芯片 以 BOOST DC DC 变换器作为 开关电源的主电路 以 8051F040 单片机 D A 的输出电压作为基准 实现开关稳压电源 输出电压的程控调节 实验结果验证了所设计开关电源的可行性 关键字 DC DC 变换器 BOOST 升压 PWM 1 引 言 开关稳压电源简称开关电源 Switching Power Supply 通过控制开关管的导通 比来维持输出电压的稳定 具有体积小 重量轻 功耗低 效率高 纹波小 噪音低 易扩容等特点 使得开关电源具有高的稳定性和性价比 在仪器 仪表 工业自动化等 领域得到广泛应用 2 方案的选择与论证 2 1 DC DC 主回路拓扑方案的选择与论证 2 1 1 概述 根据输入与输出之间是否有变压器隔离 DC DC 变换器可分成隔离式和非隔离式两 类 非隔离式又有六种拓扑 Buck Boost Buck Boost Cuk Sepic 和 Zeat 2 1 2 方案选择 隔离型的开关电源中高频变换器的基本形式有五种 单端正激式 单端反激式 半 桥式 全桥式和推挽式 其中单端正激式和单端反激式结构简单 易于实现 半桥式 全桥式和推挽式电路结构较复杂对驱动电路要求较高 输出功率较大 非隔离型 DC DC 变换器没有开关变压器 采用 Boost 升压变换器可以实现电压将直流电压升高 比较两种方案 由于题目中已经给出用应用 220V 隔离变压器 所以应用二次隔离 变压就显得有些繁琐 第二种方案的电路简洁且能满足题目要求 故选非隔离型 Boost DC DC 变换器作为本题目的主电路 如图 1 1 图 1 1DC DC 变换原理图 2 2 控制方法及实现方案的选择与论证 2 2 2 1 控制方法选择与论证 开关电源的控制方式分为电流模式控制和电压模式控制 电流控制模式虽然具有良 好的线性调整率和快速的输入输出动态响应 但是需要双环控制 增加了电路设计和分 析的难度 且当占空比大于 50 时若没有斜坡补偿 控制环变得不稳定 抗干扰性能差 在比赛过程中不利于发挥 故选则电压控制型 2 2 2 实现方案 采用电压控制 8051F040 单片机 D A 输出电压作为给 DC DC 输出的电压反馈信号 的参考信号来控制脉宽调制 PMW 信号 占空比的变化可以改变 Boost DC DC 变换器 的电压输出 如图 1 2 18V交流 输入 LCD显示 过流保护 电流取样 放大 电压取样 放大 PWM控制 电压输出 Bosost DC DC 变换器 开关管 图图 1 21 2 系统总框图系统总框图 2 3 提高效率的方法及实现方案 2 3 1 提高效率的方法 1 在 DC DC 输出部分用添加无源无损吸收电路 2 选用肖特基整流二极管代替快恢复二极管 3 选择适合的工作频率 4 电流采样选用阻值较小的电阻 5 选用电压控制型电路 省去了电流采样电阻 6 开关管选用低导通电阻的功率 MOS 管 2 3 2 实现方案选择与论证 以上方法对于本电路均能起到提高效率的作用 用饱和电感串联二极管的无源吸收 电路可以限制高峰值电流 MOS 管的导通阻止很低 开关管输入频率过高 开关损耗大 过小在电感线圈的损耗较大 阻止较小的取样电阻可以降低损耗 电流控制型的电路由 于在线圈缘边接电阻取电流信号 而电压型不用取 3 电路设计与参数计算 3 1 主回路器件的选择及参数计算 3 1 1 主回路器件的选择 3 主回路器件主要是为完成输出设计要求所需关键性元件 即要求能输出最大电压 40V 电流 2A 满足高效率 DC DC 转换 电压调整率 开关控制芯片选择 根据最大输出电压 36V 而最小输入电压 15V 可得开关控制芯 片输出脉冲占空比必须大于 50 可选择 CM6805 UC3844 和 TL494 等 若选择 TL494 单端输出脉冲比最大为 50 将其双端口按线或方式连接则可满足要求 同时 考虑到 效率转换 排除了 UC3844 因其是电流反馈型开关芯片 在大电流工作时 将明显降低 转换效率 CM6805 是可观的芯片 具有 PFC PWM 自调节功能 效率高 但其技术资料 少 不易掌握 TL494 是电压反馈型开关芯片 具有双差分放大器反馈控制端口 PWM 的死区时间可直接通过分压调节控制 资料较多 易于掌握 故选则 TL494 场效应管选择 9540 开关速度迅速 可通过 50A 大电流 3 1 2 参数计算 最小电感设计限值的确定 使得输出纹波电压最小的电感设计值为 2 2 min min min 2 O iL KA V fV VR LL PP 式 3 1 由 in V 18V R 18 f 40kHz O V 36 得最小量为 55uH 考虑到尽可能减小开关管 的电流应力 本设计电感量选为 106uH 为减小趋肤效应 电感采取双线并绕方式 满足输出纹波电压要求的最小电容设计限值由下式确定 min minmin min oXi o VV CC mV fR 式 3 2 其中m VPP VO 2 取为 2 3 2 控制电路设计与参数计算 上述确定了采用 TL494 开关控制芯片 需外接 R C 提供振荡电路 振荡频率为 1 1 1fRC 式 3 3 一般设计在 50KHz 左右 同时根据电路设计思想 电阻应尽量取高阻值 电容应尽量小 确定参数各为 R 10K 欧 C 2200pF 由于最大输出功率为 80W 直接用 TL494 驱动场效应 管不能实现 故中间串接 TPS2812P 增大驱动能力 3 3 效率的分析及计算 3 3 1 效率分析 由于电路中的各种器件在一定的工作电压下都有压降 产生一定的损耗 所以输入 功率不等于输出功率 输出功率与输入功率的比值是 DC DC 变换器效率 效率越高 说明此开关电源的性能越好 3 3 2 计算 PO PIN 其中 PO UOIO PIN UINIIN 4 3 4 保护电路设计与参数计算 3 4 1 保护电路设计 赛题要求过流保护为可恢复式 过流断路后一定时间自动恢复原输出状态 可采取 NE555 构成的单稳态电路控制输出完成要求 3 4 2 参数计算 由 NE555 定时器构成的单稳态触发电路 当输入电平由高变低 电路进入暂态 0 V 1 当输入脉冲已消失 电路经过 w t 时间后恢复稳态 0 V 0 三极管导通 ln3 w tRC 式 3 4 3 5 数字设定及显示电路的设计 3 5 1 数字设定 通过单片机预设定的值存在数组里 当单片机检测到有按键触发 会把相应的数值 通过 D A 以电压的方式输出 3 5 2 显示电路设计 DC DC 输出的电压反馈信号经过放大 通过单片机 A D 处理把检测到的信号用 LCD 实时显示出来 3 5 3 数控主要流程图 数控功能是基于 8051F040 内置 A D D A 模拟器件实现的 当通过键盘输入预置值 后 系统自动通过 D A 发给 TL494 的差分端口上一个参考电压 该参考电压按一定比 率配合后即可使输出电压达到预定值 A D 模拟器件可于实现电压电流检测 显示 并 可实现自动调节功能 开始 预值 D A输出 A D检测 显示 自调 结束 结束 是 否 图 3 1 数控主要流程图 5 4 测试方法与数据 4 1 测试方法 1 输出电压 UO通过数字万用表并联测量得出 2 最大输出电流通过在输出端加上负载 观察电流在哪个值时出现关断则此电流为最 大输出电流 3 电压调整率 SU 与 负载调整率 SI 通过调压器 4 输出噪声纹波电压峰 峰值 UOPP 通过数字示波器观察出来 5 DC DC 变换器的效率 通过测量输入与输出的电压电流值经过计算得到 过流保护时的动作电流通过加载负载测得 4 2 测试仪器 表表 4 14 1 编号 名称 型号 1 五位半数字万用表 TH1951 2 双踪数字示波器 TDS1002 4 3 测试数据 表表 4 24 2 U2 V 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 UO V 36 2 36 1 35 7 35 7 35 7 35 5 35 5 表表 4 24 2 IO A 0 0 25 0 50 0 75 1 00 1 25 1 50 1 75 2 00 UO V 35 91 36 01 36 00 36 02 36 06 36 14 36 27 36 24 36 39 5 测试结果与分析 5 1 与设计指标进行比较 表表 5 15 1 与设计指标进行比较与设计指标进行比较 基本要求 发挥部分 实现情况 UO可调范围 30V 36V 30V 36V 最大输出电流 IOmax 2A 2A SU 2 IO 2A SU 0 2 IO 2A SU 0 00997 SI 5 U2 18V SI 0 5 U2 18V SI 0 023 UOPP 1V UOPP 0 56V 70 85 91 4 IO th 2 5 0 2A 电源能自动恢复正常状态 IO th 2 7A 能恢复 t 2 57s 数控及显示 步进值 1V 能及时测量电压和电流值 步进 值 1V 6 5 2 产生偏差的原因 通过测试数据分析 已经完成了基本部分的所有要求 输出电压可调范围 30V 36V 最大输出电流 2A SU 0 997 SI 5 U2 18V UOPP 0 56V 81 44 IO th 2 7A 产生偏差的原因有多种 反馈位置不合理 控制电路不够简化 都有可能产生一定的偏 差 5 3 改进方法 经过严格的理论计算 找出最合适的元器件的值 简化电路中一些繁琐的部分 由 于在比赛中时间与精力有限 不能很好且透彻的理解电路 因此暂时无法找到更好的办 法 相信在以后的研究中会有所提高 6 总结 本设计采用单片开关控制芯片 TL494 作为 Boost DC DC 变换器的核心 实现了 DC DC 升压转换 且效率高 基本上实现了赛题中的基本要求 但在扩展功能上还有一些欠缺 开关稳压电源具有的优良性能在引言中已经叙述过 经过此次与队友们肤浅的探讨 的 确发现其在现实生活中优越性的体现 我们目前了解的知识还很欠缺 关于电源效率的 提高还不能很好的实现 而且由于开关电源本身的特性 其产生的谐波会窜入电网 对 电网产生不良影响 这就涉及到功率补偿因素校正 PFC 在以后的学习工作中在对其 进行研究 7 参考文献 1 张占松等 开关电源的原理与设计电子工业出版社 M 2006 1 59 2 日 长谷川 彰 开关稳压电源的设计与应用 科学出版社 M 2006 117 138 3 阎石 数字电子技术基础 高等教育社 M 2006 4 高原 邱新芸 汪晋宽 峰值电流控制开关电源斜坡补偿的研究 J 仪器仪表学报 2003 24 4 118 120 5 刘树林 刘健 钟久明 峰值电流控制变换器斜坡补偿电路的优化设计 J 电力电 子技术 2005 39 5 78 81 6 刘树林 刘健 杨银玲 赵新毅 Boost 变换器的能量传输模式及输出纹波电压分 析 J 中国电机工程学报 2006 26 5 119 124 7 刘树林 刘健 陈勇兵 boost 变换器的输出纹波电压分析与最小电感设计 J 西安交通大学学报 2007 41 6 707 711 8 Liu Shulin Liu Jian Mao Hong Analysis and Design of Boost DC DC Converters for Intrinsic Safety C Proceedings of the 5th International Power Electronics and Motion Control Conference Shanghai China 2006 pp 1267 1272 9 Liu Shulin Liu Jian Chen Yongbin An Improved Boost DC DC Converter Based on Intrinsic Safety and Its Design C Proceedings of the the IEEE region 10 Conference Hongkong 2006 8 附录 电路原理图 E1 9 E2 10 C2 11 Vcc 12 OUT 13 VREF 14 EA 15 EA 16 EA 1 EA 2 COMP 3 DT 4 CT 5 RT 6 GND 7 C1 8 TL494 Cap C15 Res2 R19 D6 D7 2IN 4 GND 3 1IN 2 REG I 1 REG O 8 1OUT 7 Vcc 6 2OUT 5 TPS2812 12V IRF540N Q1 470uF C3 470uF C2 D1 OUT GND IN 100pF C1 0 1uF C6 10K R20 1K R17 47K R20 FB 1K R20 VR2 1K R20 10K R20 0 01uF C 0 01uF C 5 1K R20 1K R20 0 01 R4 VL IL Vs 4 IN 3 IN 2 RG 1 RG 8 Vs 7 OUT 6 REF 5 AD623 5V IL VL FB MOSFET N Q2 10K R20 D 2N3904 Q3 2N3904 Q4 10K R20 1K R20 5K R20 NE555 Bridge1 D1 Trans CT T1 220V 4700uF C2 GND IN FB 4 OUT 2 Vin 1 on off 5 GND 3 LM2596 LM2596 12 FB 4 OUT 2 Vin 1 on off 5 GND 3 LM2596 LM2596 5 10mH L 30mH L 220uF C2 30mH Inductor L 220uF Cap Pol1 C2 OUT 5V OUT 12V D Schottky D1 TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVOLT 5 THR 6 DISC 7 VCC 8 GND 1 NE555N U 5 Vs 4 IN 3 IN 2 RG 1 RG 8 Vs 7 OUT 6 REF 5 AD623 5V IL 0 1uF Cap C 0 1uF Cap C NE555 10K R20 2IN 5 2IN 6 2OUT 7 Vcc 8 Vcc 4 1IN 3 1IN 2 1OUT 1 LM358n VF 6V TMS 1 TCK 2 TDI 3 TDO 4 RST 5 CANRX 6 CANTX 7 AV 14 AGND 13 AGND 10 AV 8 VREF 12 AGND 9 AV 11 VREFD 15 VREF0 16 VREF2 17 AIN0 0 18 AIN0 1 19 AIN0 2 20 AIN0 3 21 HVCAP 22 HVREF 23 HVAIN 24 HVAIN 25 XTAL1 26 XTAL2 27 MONEN 28 AIN2 7 A15 P1 7 29 AIN2 6 A14 P1 6 30 AIN2 5 A13 P1 5 31 AIN2 4 A12 P1 4 32 AIN2 3 A11 P1 3 33 AIN2 2 A10 P1 2 34 AIN2 1 A9 P1 1 35 AIN2 0 A8 P1 0 36 VDD 37 DGND 38 A15m A7 P2 7 39 A14m A6 P2 6 40 A13m A5 P2 5 41 A12m A4 P2 4 42 A11m A3 P2 3 43 A10m A2 P2 2 44 A9m A1 P2 1 45 A8m A0 P2 0 46 AIN3 7 AD7 D7 P3 7 47 AIN3 6 AD6 D6 P3 6 48 AIN3 5 AD5 D5 P3 5 49 AIN3 4 AD4 D4 P3 4 50 AIN3 3 AD3 D3 P3 3 51 AIN3 2 AD2 D2 P3 2 52 AIN3 1 AD1 D1 P3 1 53 AIN3 0 AD0 D0 P3 0 54 WR P0 7 55 RD P0 6 56 ALE P0 5 57 P0 4 58 P0 3 59 P0 2 60 P0 1 61 P0 0 62 DGND 63 VDD 64 AD7 D7 P7 7 65 AD6 D6 P7 6 66 AD5 D5 P7 5 67 AD4 D4 P7 4 68 AD3 D3 P7 3 69 AD2 D2 P7 2 70 AD1 D1 P7 1 71 AD0 D0 P7 0 72 A15m A7 P6 7 73 A14m A6 P6 6 74 A13m A5 P6 5 75 A12m A4 P6 4 76 A11m A3 P6 3 77 A10m A2 P6 2 78 A9m A1 P6 1 79