E题开关稳压电源本科组

1、E 题 开关稳压电源（本科组）作者： 吴祥勇、陈显辉、周卫华（浙江大学）赛前辅导教师： 阮秉涛 文稿整理辅导教师： 阮秉涛摘要对于升压型的DC-DC变换电路，我们采用最为简单可靠的Boost拓扑结构，控制芯片采用峰值电流控制型脉宽调制芯片UC3842该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，输出电压值稳定，输出功率可达100W以上。UC3842的峰值电流控制可以对开关管进行过电流保护，而输出电路的过电流保护则通过继电器来实现。AbstractFor the DC-DC transform circuit of the voltage value increase, we choose the ea

2、siest and reliable Boost circuit as the main topology structure. The control chip of the circuit is UC3842, a modulate width of pulse chip based on the current peak control. This circuit has a lot of advantages, such as fewer external components, agility in control, low cost, and good stability ,the

3、 output power can reach up to 100W or more .The UC3842s peak current modulation width of the pulse can realize the switch tubes current protection. Meanwhile, the output circuits over current protection is achieved by relay.一方案论证1. DC-DC 主回路的拓扑结构方案一：Boost电路。Boost电路是一种主要的升压型 DC-DC变换拓扑，其 拓扑结构简单，控制方便，输

4、出功率大，具有良好的输出特性。方案二：Buck-Boost电路。它也可以实现升压功能，但是输出的电压是负值， 另外它的应用电路稍显复杂， 因为输入电流、 输出电流是脉动的， 为了平波要加 滤波器。其他拓扑形式还有CUK、ZETA、SEPIC等均可实现升压功能，但是在实际 应用中电路均比较复杂，控制困难，不便于短时间内完成系统设计。综上所述， 采用Boost电路作为主回路的拓扑结构是一种比较合理的方案。本系统中的Boost电路主拓扑结构如图1所示。图1 Boost电路主拓扑结构输出电压Uo与电源电压（直流母线端电压 Ud ）的关系为上式中，Uo为输出电压，Ud为直流母线端输入电压，：为MOS管导

5、通比。2. 控制回路方案的选择方案一：运用函数发生器8038产生三角波，与MCU的ADC输出进行比较， 可得占空比可调的PWM波，MCU的ADC输出来自于基于输出电压反馈的 PI调 节运算结果。输出的PWM波经过2103后驱动MOS管。该系统由于用软件实现 PI调节，因此，要用到高速单片机，提高了系统成本和软件编写的难度。方案二：采用UC3842作为主回路的控制芯片。UC3842是一种峰值电流控 制型脉宽调制芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计中。根据UC3842的功能特点，结合Boost电路拓扑结构，完全可设计成电流控制型的 升压DC-DC电路。该电路外接元器件少，控制灵活，

6、成本低，输出功率容易做 到100W以上，具有其他专用芯片难以实现的功能。 另外，给定电压的稳定主要 由硬件电路完成，实时性好，可靠性高，不需要用到高速单片机，也降低了软件编写的难度方案一器件价格较贵，电路稍显复杂，性价比不高。方案二器件少，外围电 路简单，价格便宜，软件编写简单，且输出功率能满足要求，所以采用方案二。3. 变换器效率指标的实现方案变换器的效率是一个重要的指标，为了降低损耗，提高效率，系统中采用了 以下一些实现方案：（1）控制电路供电电源的实现方法控制电路需要有+5V、+12V和-12V的电源。其产生的方式主要有两种， 一种是利用线性稳压电路， 核心芯片采用 7805、 781

7、2和791 2等；另外一种是利 用基于开关电源技术的控制芯片，如 2576 等。前者由于损耗比较大，故在本电 路设计中采用后者。（2）选择合适的开关频率开关频率和 MOS 管的功耗有很大的关系，频率越高，产生的损耗越大。较 低的电路工作频率可以降低 MOS 管的开关损耗，但输出电压脉动会增大，因此 应在允许的频率范围内选择较低的频率。合适的开关频率大致处于 20KHz 与 60KHz 之间，本系统选取开关频率为 30KHz ，可以降低损耗。（3）低功耗元器件的选取系统总的损耗中还包括各种元件的功耗。 只要在元件选取时注意采用低功耗 器件，则这一部分损耗对系统效率的影响可以减小到最小。例如，在显

8、示部分， 如果采用 LED 数码管显示，则功耗比较大。如果采用功耗比较小的字符型液晶 显示器（如EDM160）代替LED数码管显示器，则功耗可下降至 0.07W。另外， 由于主回路控制器件 MOS 管工作时流过的电流比较大，所以选取导通电阻比较 小的MOS管将有利于降低损耗。例如IRF540的导通电阻仅为0.04 Q ,在2A工 作电流下仅产生0.16W的通态损耗。.电路设计与参数的计算1. 总体的电路设计框图图2系统总体电路框图如图2所示，系统的DC-DC变换是由硬件完成的，软件控制并不复杂，单片 机主要完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果显示等功能。因此，MCU使用89C51即可满足

9、要求，D/A转换器可采用8位的DAC0832 A/D转换器可采 用8位的ADC08092. Boost电路参数的计算（1）电感值的计算：按照题目的设计要求， U。可在30V到36V变化，输入交流电压 U2为 1521VAC，所以经过整流滤波后得到的直流母线电压为Uz1825.2V，取1T =25七，lo=2A，导通比在0.160.5之间变化，则当的时候，可3 求得：U0T2.Lmin（1-：）=32.7 H21 0 由上式可得，要使系统电流工作在连续状态，电感值至少大于32.7旧本系统选择的电感的数值为180 H，并且通过选用铁芯使得电感在流过 6A 电流的时候铁芯不饱和，这样有利于减少主电路

10、电感上的电流纹波。(2) 电容值的计算：电容的大小决定负载电压的波动程度，因此负载的电压波动可作为选择电容的依据。在MOS管导通期间，导通时间为 疔，负载电流靠电容放电得以维持。设在整个MOS管导通期间内电压变化 U,并假设负载电流I在此期间恒定， 则电容电压亦即负载电压下降了U =丄 ITC根据上式可确定电容的数值，U与I和均有关，考虑在最严重的情 况下仍能保证电压的波动符合要求，电容的容量应满足omaz -：max上式中，omaz为输出电流的最大值。通过估算，电容的取值为 2200卩F。此时计算得到的 U =0.011V，可以满 足指标要求。(3) MOS管型号的选择该电路中，MOS管要承

11、受的最大电压值为25.2V,流过的电流最大值为5A, 而且，开关整流电路效率的高低主要取决于调整管的调整效率，而调整效率的高低取决于调整管功率损耗的大小。我们考虑的型号是IRF640和IRF540, IRF640承受的最大电压值为200V,承受的最大的电流值为10A。IRF540承受的最大电 压是100V,电流的最大值是23A。经过实际测试，发现它们都能够满足要求，但 是IRF540的功率损耗更小，所以采用IRF540作为实际电路中应用的MOS管。(4) 二极管型号的选择二极管承受的最大工作电压Vd max 二 u 0 二 36V二极管承受最大工作电流：UsIO USiDmax 二山子:Ts0

12、 S ： T 4.05A2L1 a2L二极管工作的平均电流iDavg =2A。本系统采用的二极管型号是 MUR860承受的最大电压值是600V,最大的电 流值是8A。3. 控制电路设计与参数计算（1）控制电路设计控制电路中的主芯片是UC8342其具体连接图见图3所示：图3 UC3842外围电路芯片的振荡频率估算公式为：1.75上式中，Rt取10K, Ct取4700uF,理论计算出来的频率值为 37KHz，但由 于电容值不准确，实际值只有 30KHZ左右。(2) 效率的分析与计算在Boost变换电路中，MOS管的开关损耗不可忽视。MOS管开通时的损耗 主要包括：MOS管开通的时候开关两端等效电容

13、(包括输出电容和缓冲电路电 容)放电形成容性开通损耗，以及MOS管从截止到完全开通渡过放大区时形成 的损耗。而 MOS管关断时的损耗产生的原因多种多样，但主要表现为：关断过程电流下降的延迟和电压的过快上升，从而形成电压电流的交叠，产生很大的功率损耗。适当降低的电路工作频率可以降低 MOS管的开关损耗，因此应在 允许的频率范围内选择较低的频率，可以提高系统效率。合适的开关频率大致处 于20KHz与60KHz之间，本系统选取开关频率为 30KHz。假设MOS管的开通和关断的重叠时间相同，均为-4，则一个开关周期内 MOS管的平均损耗为：PSW Vds (t) i d (t)dt =人 Vs I s

14、 f St其中Ts为开关周期，fs为开关频率，Vs为MOS管关断期间加在它两端的 电压，Is为晶体管导通期间流过的电流。由上式可知， MOS管的开通关断损耗 与开关频率成正比，适当降低开关频率有助于降低系统功耗。在输出电压30V,输出电流2A时，认为讥与3842振荡器的死区时间相等， 即丄t Nd -300Ct时，此时Psw =2.1W，对于效率的影响是 3.5%。由此可见， MOS管的开关损耗对系统效率的影响较大。4. 过电流保护的实现方式该电路中有两处涉及到过电流保护的环节，一个是流过 MOS管的电流最大 值，这与MOS管允许的最大电流和电感饱和时的最大电流有关；另外一个是设 计要求的输出

15、电流保护点。（1） MOS管最大电流保护通过在MOS管的源极接一小于0.1 Q的电阻，然后接参考地，可以解决这 一问题。同时该电阻也可以作为 UC3842峰值电流检测的输入信号的采样电阻。 注意该电阻如果大小不合适，会影响系统输出的最大功率，实际调试如果出现这 一情况，应适当减小该电阻值。（2）输出电流保护设计要求在输出电流大于2.5A时主电路能断开起到保护作用，因此在直流 母线中加一继电器来解决这一问题。继电器在动作时，由于电路中电感的存在， 会产生很高感应电压，并将MOS管击穿。因此，在继电器之后再加一个1000uF 电容（如图1所示），以避免产生高压击穿 MOS管。另外，考虑到软件的可靠

16、性和实时性问题， 对于此处电流保护，也设置了硬 件保护环节。采用软硬件双重保护的方式，既可以实现硬件保护可靠性高的特点， 也有软件保护的灵活性。单片机的 P3.5作为控制口，与硬件保护信号相与后作 为继电器驱动电路的控制信号，当 P3.5输出低电平或硬件保护电路动作时，继 电器关断，同时二极管亮，显示报警信号。输出过流保护电路如图4所示。XZ图4输出电流过流保护硬件框图在过流保护电路动作后，系统可一直保持报警状态。当系统故障排除以后, 用户可通过键盘解除报警信号，此时软件自动解除继电器动作信号和报警声讯, 并使系统进入正常工作状态。5. 控制系统供电电源电路在DC-DC变换器系统中，控制电路供

17、电电源损耗是对系统效率产生影响的一个重要因素。采用LM2576产生控制电路的电源，稳压源的效率约为77%而采用线性电源，例如用7805,则5V电源的效率会在33%以下。因此，选择恰当的 电源产生模式，可以大幅减小系统功耗。本系统通过LM2576产生+5V、+12V的电压给控制系统供电，-12V的电压由 另外一块基于开关电源技术的芯片直接产生。LM2576-5产生5V和+12V电源的 电路分别如图5和图6所示。图5 2576产生5V电源的电路图14图6 2576产生+12V电源的电路图.软件的设计与流程图在系统中，软件的主要作用是完成命令输入、 输出采样、软件过流保护和结 果显示等功能，设计相对

18、简单。软件的主程序流程图和中断程序流程图如图7所示。图7主程序流程图及中断程序流程图四.测试方法与数据1.测试仪器测试用仪器与设备如表1所示表1测试仪器名称万用表示波器负载自耦调压器型号DT9205TDS1002数字示波器30欧，100瓦:TDGC0.5KVA数量51112.测试方法（1）测试噪声纹波电压峰-峰值Uopp、负载调整率以及过流保护功能首先连接好整个系统，在负载两端接万用表测电压，并将电流表与负载串联 测电流。在U2 =18V,U。=36V,I =2A的时候，观察输出纹波电压峰-峰值。设置输出电压Uo为30V,保持U2 8V不变，改变负载，观察负载调整率。 观察在各输出电压情况下，

19、负载过流时是否具有继电保护功能。(2) 测试系统效率和电压调整率电流表串入整流桥输出端，且处于控制电源引出脚之前；电压表测整流桥输 出端电压。同时，在负载端接电压、电流表，测量输出功率。输出功率除以输入 功率就是DC-DC变换器的效率。设定输出电压为30V,调整负载使得负载电流为 2A改变自耦变压器的输出 电压值，使输入电压从15V21V变化，计算电压调整率。(3) 在上述操作过程中，观察数字显示部分是否工作良好。五.测试数据及测试结果的分析1 整机指标整机指标如表2所示表2 整机指标基本要求发挥部分测试结果输出电压范围为3036V实现最大输出电流2A实现，最大2.5AU2从15V到21V电压

20、调整率 Su 2%（1。=2A）进一步提高电压调整率Su 0.2%(1。=2A)测试得到电压调整率为1.0%Io从0变到2A,负载调 整率 Si 兰5%( U2 =18V )进一步提高负载调整率S, 0.5% ( U2 =18V )测试得到负载调整率为1.33%输出噪声纹波电压峰-峰值 UOpp 进一步提高效率使 n 实现，为82.9%70%82%具有过流保护功能，动作电流 lo（th）=2.50.2A实现排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态实现能对输出电压进行键盘 设疋和步进调整，步进值1V,同时具有输出电压， 电流的测量和数字显示 功能实现，通过低功耗液晶显示器显示其他输出最大功率大于

21、90W2.测试数据（1）输出电压测试输出电压设定值与实测值如表3所示。表3输出电压设定值与实测值电压的设定值（V）30313233343536实测的电压值（V）29.930.1323334.135.136误差0.33%0.32%000.29%0.285%0输出最大电流（A）2.5A2.5A2.5A2.5A2.5A2.5A2.5A过流保护实现实现实现实现实现实现实现由表2可知，DC-DC变换器的输出电压精度约为0.33 %（2）电压调整率测试设定输出电压为30V,调整负载使得负载电流为 2A。调整自耦变压器，使DC-DC变换器的输入电压在15V21V变化，测量此时输出电压变化如表3所示。表3电压

22、调整率测试数据表输入电压（V）151821V输出电压（V）29.829.930.1由表3计算电压调整率为1.0 %。（3）负载调整率测试在U2 =18V,U =3CM的情况下，Io的输出范围在02A之间变化，测得输出电压随负载电流的变化情况如表 4所示。表4负载调整率测试数据表负载电流（A）01.02.0输出电压（V）30.129.929.7由表4计算负载调整率为1.33 %。（4）输出电压纹波测试在U2 =18V,U =36V,I =2A的时候，用示波器器观察输出波纹电压峰-峰值为 Uopp =0.5V。（5）系统效率测试在U2 =18V,Uo =36V,I2A的时候，测得的数据如表5所示.表5效率测试表输出功率69.570.970.370.6输入功率84.1285.0485.0185.11效率82.6%83.4%82.7%83.0%由表5计算系统效率的平均值为82.9%.3. 误差分析该系统中所测量的指标存在一定的误差，它的产生有多方面的原因：（1）运放