【毕业设计】基于推挽式高频变压器的开关电源

时间718724姓名学校摘要本设计采用TI公司的超低功耗处理器MSP430F169单片机为控制核心，采用TL494产生PWM控制信号，DCDC采用推挽式变换方式，输出的高频PWM波通过高频变压器变压输出，经过整流滤波输出稳压直流电，并采用硬件反馈方式反馈到TL494误差放大器自动调节输出PWM波占空比稳定输出电压，单片机采集输出电压、电流用12864LCD显示，可键盘控制电源开断并可设置输出电压大小，输出电压从30V36V可调，输出电流在25A以下输出电压稳定，有过流保护及自恢复功能，保证输出电流低于25A。关键词MSP430F169单片机推挽式变换TL494PWM目录一方案论证与比较411控制核心选取方案比较412DCDC升压方案比较413稳压方案比较4二理论分析与计算521PWM占空比计算522高频变压器设计参数计算523提高效率的方法524输出滤波器参数的计算625采样滤波算法6三硬件电路设计631ACDC电路632DCDC变换电路633滤波电路734电压电流采样8四软件设计8五测试方案与结果951测试框图952DCDC效率测试1053输出噪声纹波电压1054电压调整率1055负载调整率10六结束语10七参考文献10附录11一方案论证与比较开关稳压电源主要完成数控调节、DCDC变换环节和稳压环节，数控调节采用TI公司超低功耗处理器MSP430F169单片机进行控制，DCDC变换又分升压和降压变换，本系统要求升压变换，并且电流达到2A能够稳压，达到25A实现过流保护，根据这一系列要求有以下可选方案。11控制核心选取方案比较方案一采用51或者AVR单片机，其功耗较高，并不自带AD、DA或者自带AD、DA精度不高，采集数据不便，设置输出电压不便。方案二采用TI推出的超低功耗处理器MSP430F169单片机，其自带12位高精度AD、DA，外围电路简单，便于采集输出电压和设置输出电压。因此本系统采用MSP430F169作为控制核心。12DCDC升压方案比较方案一采用BOOST升压电路升压，通过调节PWM占空比调节输出电压，实现升压并可调压，但是BOOST电路的输人电流连续，输出电流断续，输出存在着较大的纹波，开关噪声大缺点，不易达到题目要求。方案二采用推挽式变换，推挽式开关电源两个控制开关轮流交替工作，开关管驱动控制简单，输出波形非常对称，在整个周期内都向负载提供功率输出，因此，输出电流瞬态响应速度很高，电压输出特性很好，是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源。高频变压器升压，电压可调范围广，空载损耗较小，效率较高，所占体积较小。因此本设计采用了方案二。13稳压方案比较方案一采用单片机AD采样，获取输出电压、电流，通过程序算法调节PWM波占空比实现稳压，硬件简单、成本较低，但是在反馈调节时采集输出电压比较复杂，程序算法也相对复杂，反应速度相对硬件反馈较慢，不够精准，并且还要单独做过流保护电路。方案二采用硬件产生PWM驱动信号，选用TL494芯片产生占空比可调PWM波，用硬件方式反馈到TL494误差放大器，形成一个稳定的闭环控制系统，实现PWM占空比自动调节功能，并可以采集输出电流反馈到TL494另外一个误差放大器，实现过流保护，单片机只需通过DA给出一个参考电压，即可输出比较稳定的电压，减轻程序负担，硬件也比较简单，硬件方式反馈速度更快、精度更高。因此本系统采用了方案二。根据本系统选取的各模块方案，整体系统原理如图1120VOUDU整流滤波高频变压变压隔离DC推挽式变换整流滤波单片机反馈12864显示图1系统总体框图二理论分析与计算21PWM占空比计算根据题目要求，输出电压范围30V36V可调，输入电压变化范围15V21V，设定变压器原副线圈匝数比为N即电压比为N，则最小占空比为，最大占空比为，TL494最大占空比为90为防止调节30MI21ND36MAX15ND失控。9AX22高频变压器设计参数计算本系统采用EI35磁芯，开关频率为50KHZ,输入电压选取最低电压为15V，输出电压选取最高电压36V计算，根据推导公式计算出高频UTUDSNBAFE变压器的线圈匝数比为311,根据公式计算漆包线直径，其中D为2DIJ漆包线直径，J为电流密度，在此为提高变压器安全性能取J3A/MM，输入电流约7A，输出电流低于25A，因此输入线圈采用直径10MM三线并绕方式，输出线圈采用直径10MM单线绕制。23提高效率的方法1）使用合适的MOS管和驱动电路，比如选取IRFZ44S低电压、大电流、小内阻的高性能MOS管和自带误差放大的TL494；2）使用较适合的开关频率，因为功率管开关和磁性材料的磁通变化会带来损耗，使用可以满足升压变换的最佳的频率，如该系统设计为40100KHZ，可以降低开关管、高频变压器和滤波电感的损耗，另外使用高频损耗较低的磁性材料做滤波电感，如铁硅铝磁芯的电感，也可以降低系统的损耗。3）尽可能降低变压器损耗，变压器的损耗包含铜损和铁损，采用多线并绕的方法减小肌肤效应，包扎适当多的绝缘胶，减小线圈之间的干扰，采用灌封胶灌封，提高高频变压器的频率。4）减小开PWM控制信号纹波以减小在开关管上的损耗，在开关管控制端加电容吸收纹波。24输出滤波器参数的计算本系统有两次滤波，前级滤波是把50HZ交流输入电压整流后滤波，输出稳定的直流电压，前级滤波要求不是很高为降低成本采用简单的电容滤波即可。后级滤波的主要目的是滤除高频开关频率分量，本系统中开关频率为50KHZ，要求输出稳定的直流量，为减小脉动系数提高稳定性，采用LC滤波器滤波，LC谐振频率为，为达到比较良好的性能，最好满足以下关系12FCLCFF，由于输出直流量，因此趋近于零，而最低约1KHZ左右，1010FFCS1FFS因此选100HZ以下滤波效果较好，由此计算得，F7LC2X10UOLMINTOFI因此选L840UH，C220UF。25采样滤波算法输出电压采集通过电阻分压，然后经过LC滤波把稳定的采集电压传送给单片机，根据，其中选1KHZ，因12FCLCFCF8LC253X10UOLMINTOFIO此选L100UH,C22UF。电流采样通过放大和LC滤波（采用和电压采集滤波同样的算法）处理传给单片机，单片机用自带12位高精度AD转换采集电压，用多通道多次采集模式连续采集电流、电压，单片机采集大批数据采用数字滤波算法计算出电压、电流值并显示。三硬件电路设计31ACDC电路输入220V交流通过隔离变压降压输出18V交流，需要进行整流滤波输出直流电供给后级DCDC变换器，由于这一级杂波较少，采用简单的电容滤波即可，电路图如下图31所示4ZQJANPTU6DGV图31硬件系统框图32DCDC变换电路DCDC变换是该系统的核心部分，电路包括参考电压的设置，PWM信号的产生，开关管的驱动，滤波环节，反馈调节，过流保护。整体框图如下图321所示DC推挽式变换滤波器电压反馈过流保护参考电压设置过流阀值设置图321DCDC逆变驱动电路框图本系统采用硬件产生PWM驱动信号，选用TL494芯片，该芯片外部接RC振荡控制输出PWM波的频率，用其一个误差放大器设置参考电压，另外一个误差放大器进行过流检测，单片机只需通过DA给出一个参考电压到一个误差放大器正端设置输出电压，用硬件方式反馈到TL494误差放大器负端，形成一个稳定的闭环控制系统，实现PWM占空比自动调节功能，从而稳定电压。采集输出电流反馈到TL494另外一个误差放大器负端，实现过流保护，当电流大于设置的过流阀值，电流将不会增加，电压减小，当输出电流减小会自动恢复。运用硬件方式实现DCDC变换比较简单，硬件方式反馈速度很快、精度很高即可输出比较稳定的电压，减轻程序负担。DCDC变换原理图如下图322所示图322DCDC逆变驱动电路33滤波电路本系统有两次滤波，前级滤波是把50HZ交流输入电压整流后滤波，输出稳定的直流电压，前级滤波要求不是很高为降低成本采用简单的电容滤波即可，如图331所示为前级滤波电路。后级滤波的主要目的是滤除高频开关频率分量，本系统中开关频率为50KHZ，要求输出稳定的直流量，为减小脉动系数提高稳定性，采用LC滤波器滤波。后级滤波电路图如图332所示C1470UF2356JDOUTGNV图331前级滤波电路IOMPR8E9RELQKKHFV/M图332后级滤波电路34电压电流采样在输出端用分压电阻法进行电压采样，再把采样的电压进行滤波处理送到单片机AD采样端口，在输出端串联一个很小的电阻进行电流采样，并将采样的信号进行放大滤波处理，传送到单片机的另外一个AD采样端口，单片机捕获到两个信号进行一定的数字滤波算法，计算出输出电压和电流并显示，电路图如图34所示图34电压电流采样电路四软件设计软件主要负责数控设置参考电压及电压、电流检测并显示。进入主程序后进行系统初始化，然后按键检测，如果没检测到按键那输出显示参数，如果检测到按键，根据按键设定通过DA输出相应参考电压，最后返回。其主程序流程图如图41所示YN开始按键检测初始化1OUTI23GD4567VC8LMPJH0RKFA图41主程序流程图中断程序主要负责电压和电流的采集，定时采集数据，动态分析数据传回主程序。中断服务程序流程图如图42所示进入中断电压、电流采集数据处理返回主程序图42中断服务程序五测试方案与结果51测试框图根据题目要求本系统需要测试变压隔离后输入的交流电压，整流后的直流电压、电流，以及输出电压、电流。因此本系统测试框图如下图51所示220V电压表2电流表2变压隔离主电路电压表3电流表1整流滤波负载电压表1图51测试框图52DCDC效率测试效率PIN/PO，其中POUOIO，PINUINIIN。UOVIOAUINVIINA设定输出电压显示输出电压电流53输出噪声纹波电压用带宽为40MHZ模拟示波器（AC耦合、扫描速度20MS/DIV）测量UOPP。UOPP_54电压调整率在U2从15V变到21V时，输出电压UO的变化率SU。U2UOSU_55负载调整率IO在03A25A变化时，输出电压UO的变化率SI。IOUOSI_六结束语经过多日的辛勤努力，我们实现了题目的部分要求，但在效率提高方面确做的不够，损耗功率较大。在硬件调试的过程中，我们遇到很多问题。由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方。本次竞赛锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。七参考文献1童诗白等模拟电子技术基础北京高等教育出版社，20002阎石主编数字电子技术基础北京高等教育出版社，20063陈永真、宁武、蓝和慧等新编全国大学生电子设计竞赛试题精解选北京电子工业出版社，20094王建校、张虹、金印彬等电子系统设计与实践北京高等教育出版社，20085利尔达、沈建华、杨艳琴、翟骁曙等MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用北京清华大学出版社，2009附录主程序主要负责按键检测和显示程序结构简单，程序清单如下INCLUDE“MSP430X16XH“INCLUDE“MYADCH“INCLUDE“MYDACH“INCLUDE“MY12864H“INCLUDE“KEYINH“INCLUDE“KEYTHINGH“INCLUDE“CLKCONFIGH“VOIDINITMAIN/STOPWATCHDOGTIMERTOPREVENTTIMEOUTRESETWDTCTLWDTPWWDTHOLDINITIA