全国电子设计大赛论文电源设计

1、1. 系统总体设计方案根据题目要求，总体设计方案如下：将交流电220V送进隔离变压器，一级输出18V交流电。通过整流滤波，将交流电转为直流电，进行DC-DC升压和降压。副DC-DC实现的降压值为5V,用于给单片机控制系统供电。通过键盘可以对主DC-DC升压的输出电压进行设定和步进调整，并由AD对输出进行采样，通过在单片机内预置的算法对输出进行 补偿调整，同时从液晶屏上数字显示出电流和电压值。当开关稳压电源输出电流达到上 限时，启动过流保护；当故障排除后，开关电源恢复正常工作。系统总体框图如图所示。图 系统总体框图2. 主 DC-DC 升压电路设计方案DC- DC升压电路采用自举式升压方式，如图

2、所示，当晶体管导通时，电感与电源接 地端直接相连，形成回路。随着能量存储到电感的磁场中，流过电感的电流斜线上升， 磁力线增强。当晶体管截止时，磁场开始消失。随着它的减弱，会切割电感的导线，产生一个电 压。由于磁场的运动方向与磁场建立时的方向相反，所以感应电压反向。从而实现升压 的过程。图 自举式主 DC-DC 回路拓扑图3. 控制方法及实现方案对主DC-D升压转换器的控制方法采用硬件闭环控制为主、软件补偿和测量相结合的 方法对DC-DC勺输出进行精确控制。硬件控制采用国家半导体公司的LM2587-AD开关电源 控制芯片组成对输出主回路的电压闭环控制，实现对系统的粗调。软件控制选用STC12C5

3、412A单片机作为系统控制器，系统的显示、按键、A/D、D/A全部集中在核心控制板上，通过预置算法实现对系统的精调。4. 提高效率的方法及实现方案1.降低二极管的损耗：二极管一般需要的导通电压降。在输出电压为时，二极管要 消耗一定的输出功率。而肖特基二极管的导通压降一般为，因此使用这类二极管这能 够有效降低其上的功率损耗。2.降低开关管的损耗：如果将开关管设计在外围电路中，极易由于设计参数的问题导致开关管部分时间工作在线性区，会引起一定损耗。在设计中，选用LM2587它将开关管集成到芯片内部，参数由厂家整定，可以大大减少功耗。3.减少铜损：铜损是由导线的寄生电阻和电感线圈引起的。实际设计中，选

4、用横截 面积大的铜丝，并采取多股缠绕的方法，减少单位横截面积电阻。4.减少铁损：引起铁损的原因有两个磁滞损耗和涡流损耗。在实际操作中，采 用EI型电感磁芯，并在连接处留有一定空隙。由于存在空气间隙，使之不易产生磁滞和 涡流。：电路设计与参数计算1.主回路器件的选择及参数计算题目中要求：18V交流输入时， 经转换后输入电压为 （理论计算得出） ， 负载端电压 为30V36V最大输出电流lomax为2A,主DC-DC升压变换器效率n70%发挥部分要求 达到n85%）。据此，在主DC-DC升压回路中主要用来实现DC-DC变换器的器件为LM2587-ADJ LM2587-ADJ内部有一个100kHz的

5、振荡器，内部开关电流额定值5A,负载 电压Voad65V,输入电压需保持在4V40V变换器效率90%理论上完全满足设计需求。主DC-DC回路电路图如图所示，通过改变R2和R3的比值即可设定所需负载电压值。图主回路原理图将反馈电压与内部参考电压进行比较：V聞=（1+昱）（2-1）R3已知1kQR35 kQ例如选取R=115kQ,RB的值根据Voad的设定选取。Road（负载功率）Vload1load（2-2）Rload0.9Psupply（输入功率）（2-3）RsupplyVJUVin输入电压，I.输入电流）（2-4）通过公式计算得到L的范围：78卩H 93卩Ho按照设计要求，在LM2587前级

6、需加两个输入电容。在开关导通时， 较大的C1给开关 提供电荷。它应该尽量大些，能够在100kHz的内部振荡器条件下工作，并提供LM2587要求的电流。电容G应该是一个相对小一些的陶瓷电容。这种类型的电容比电解电容快得多，使它可以响应开始导通的瞬变过程对电感L来说，选择 i 0.25linVLLdttVLi开关的占空比为1皿Vload(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)开关导通时间t=DT（T为电感的工作周期，常值 10 s ）C12、控制电路设计与参数计算硬件控制电路如图所示。LM2587的2为反馈端，通过两个电阻分压产生一个电平 部基准比较从而对输出进行调整， 为了方便引脚同内引入软件的

7、补偿控制作用，增加了如图所示的控制电路，通过D/A输出改变芯片反馈点电压，从而可以在要求范围内设定输出电压值，并对其进行调整补偿。图软件补偿控制电路R和R3的阻值选取决定了软件输出补偿的上限值，这个值由公式（2-1）可求得。D/A设定的零点由二极管导通压降决定。二极管选用反向漏电流较小的1N4148 R Ra根据题目要求计算。设定满值输出电压为44V,系统可以在3036V之间自由调整，根据LM2587设计文档R要求取值1 kQ5 kQ,选取kQ,可以求得R为84 kQ。控制程序流图如图所示。3、效率的分析及计算从系统总体分析，整流后输出功率损耗分布在 分，一个是DC-DC升压主回路，另一个是单

8、片机等 示电路部分。根据LM2587的技术文档，此类升压 效率应该可以做到90%上。从本系统分析，第二 身的功率损耗比较小，留足余量按照100mA的通过5V供电电压计算，这部分功耗只有，占总功率72W是完全可以承受的。但是由于前级输入电压为若采 电源，如L7805等电压芯片，那么在其上的功耗便0.1A=， 加上原有功耗， 那么在这部分消耗的功率 总功率的3%这个会极大的降低电源的性能。因而 供电采用DC-DC模式降压输出， 控制芯片使用MC34063效率可以达到89%这样计算出的功耗为。对于DC-DC升压部分，二极管的损耗，由于二 非一直导通，而且设计中使用了低压降的肖基特二 替了普通的快恢复

9、二极管，因而其功耗上限值为X关管集成在图软件流图LM2587内部，按照3W的损耗计算。铜损、铁损的损耗需要根据实际使用的磁芯及布线的 寄生电阻而定，初步估算为3W这样根据上述分析计算系统功耗+3W+3W）/72W=%并结合芯片的技术文档分析本系 统的效率应当可以达到90%4、保护电路设计与参数计算保护电路采用单片机控制完成，首先由A/D采样锰铜丝采样电阻端，获得采样数据 后进入单片机内部进行数据处理，并判断是否通过电流达到过流保护的动作阈值。如果 达到动作阈值后，单片机首先控制继电器关断输出回路，然后控制系统发出试探电流， 检测负载端故障是否解除，如果解除，则恢复供电，否则继续过流保护。5、数

10、字设定及显示电路的设计按键使用4X4矩阵键盘及A/D扫描按键（互为备份），获得按键键值后，采用D/A给定的方法输出，电路原理图如图所示。显示器采用点阵为128X64的液晶，将设定的电压值、测量的电压值和电流值等信息分别显示出来。两 个 部控 制 显电 路 的部 分 本电流的这用 线 性有X将达到 这部分极管并极管代2A=o壬疗利姑甘.三：测试方法与数据1、测试方法1.1输出电压可调范围：在系统电压输出端子外接并联数字万用表。用滑动变阻器滑动到不同阻值的条件下， 通过键盘给定输出值，并测量通过调节是否能够达到要求的电压输出范围。1.2最大输出电流：在系统电压输出端子外接串联数字万用表。利用滑动变

11、阻器减小电阻，测试电流是 否能够达到要求值。1.3电压调整率测试：利用自藕调压器，使输入交流15V21V变化，调节滑动变阻器使IO=2A,输出端端子 并联数字万用表测量直流电压的变化率。1.4负载调整率测试：在U2=18V寸，利用滑动变阻器，使负载在一定范围内变化，输出端之并联数字万用表 测量直流电压相对于原来的变化率。1.5输出噪声纹波电压检测：使系统工作在U2=18V,U=36V,IO=2A状态，在输出端子上并接数字示波器，调节达到合 适档位，测量输出噪声纹波电压。1.6DC-D（变换效率测试：在U2=18V,U=36V,IO=2A勺条件下，在DC-D输入端串进一块数字万用表测量电流、并

12、用另一块电压表测试输入电压。负载端做同样的测试测试负载两端电压及负载电流。通 过公式P =UI计算DC-D（输入输出的功率，两者相比即可求得实际电路的效率。1.7过载保护时动作电流的测试：在负载回路串联一块电流表，通过滑动变阻器调节负载电流，当电流表显示进去动 作区时，记录设备是否正常进行过流保护。1.8液晶显示测试：通过观察液晶显示器上的数据显示，并结合万用表的测量结果，判断液晶显示器能 否正常工作。2、测试仪器：电路测试中使用的仪器设备及其用途如表1所示 表 电 源 部 分 测 试 实 用 的 仪 器 设 备序号仪器名称及型号用途1MS805C 五位半数字多用表对 A/D、D/A 等进行校

13、正2DS- 5120M 100MH 示波器测量电源噪声纹波电压3自藕调压器用于电压调整率测试5滑线变阻器作可变负载3、测试数据：电路主要测试数据如表，详细测试数据见附录。 表DC-DC各项主要指标测试结果序号测试项目测试结果1输出电压范围最大范围 22V44V, 30V36V 可调2最大输出电流3.4A （过流保护断开）3电压调整率%4负载调整率%5输出噪声纹波测量370mV6DC-DC 变换效率%7过载保护测试能够在要求范围内正常动作8显示设定及附加功能能够实现预期功能四：测试结果分析结合任务设计指标及主要指标的测试数据，设备的各项指标达到了基本部分的设计 要求，同时达到了发挥部分的所有要求，而且在附加的简单语音及设备温度检测上完成 了特色功能的要求，且系统能够长时间持续稳定工作。对于电压调整率和负载调整率，软件上采用了类似于P调节的调节方法，能够有效的减小系统输出电压的静差，但实际测量仍旧不能消除。分析原因可以解释为按照控制 理论补偿算法中的P调节能够减小静差，但是无法消除静差。对于输出噪声纹波的测量，由于在电源前级使用了电源滤波器，因而系统的输入电