2019年全国大学生电子竞赛开关稳压电源设计.doc

1、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 RHRP1512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；SG352矿生高频脉冲控制 DC-DC变换，ADuC81取现显示、A/D 和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对 ADuC812进

2、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

3、步对负载电压进行精确控制。图I1.2方案的论证1.2.1 DC-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。 2Boosts换器原理團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1控制软件编程工作量大、难度大；2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；3该设计要求对 DC-DC变

4、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 ：控制系统软件编程工作量较小，难度不大；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；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 ：硬件电器设计难度较大；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

5、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 。123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： 通过提高工作频率，让工作频率达到100KHZ ；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= 200 V， RDS(on) 0.18 门，ID= 18 A)选用快速恢复整流二极管，减少反向导通时间，减

6、少损耗。选用了肖特基二极管 RHRP15120，恢复时间 trr 65ns。2电路设计与参数计算2.1 DC-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=1824V，输 出电压V=3036V，输出电流1。=02A,开关频率fs=100kHZ,设定纹波电流 Vo 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

7、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区动等功能的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Ri取样反馈到SG3525的引脚1端（误差放大器反向输入端）；单 片机ADuC81采集R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PWN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

8、 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lo（tm=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

9、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 3036V。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lomax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)35.29 135.3135.3435.9236.6536.6836.71 1Su1.97%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S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