开关电源设计(设计报告)

开关电源设计作者：钟代海、黄亮、伍利衡（湖南城市学院）指导老师：文稿整理辅导老师：摘要：系统基于开关电源的工作原理,采用UC3843高性能电流模式控制器实现对Boost升压斩波电路稳压输出。UC3843片内集成有微调的振荡器放电电流(可精确控制占空比)、电流模式工作频率(可到500kHz)、自动前馈补偿、锁存脉宽调制(可逐周限流)、内部微调的参考电压(带欠压锁定)、欠压锁定(带滞后)、低启动和工作电流等。该系统电路主要包括整流滤波电、DC-DC变换电路、过流保护电路、稳压反馈电；路和单片机控制电路部分。开关电源输出电压可以实现在30V～36V任意值之间输出,最大输出电流1.5A,效率大于等于70%。为了能使系统获得较高的输出电压细分数,又增加了数字电位器控制电路,能对输出电压进行步进值为0.1V的调整。关键词：DC-DC变换,UC3843,开关稳压电源ABSTRACT：Systemisbasedonswitchingpowersupplyworks,usinghigh-performancecurrentmodecontrollerUC3843torealizetheBoostboosterchopperregulateoutput.UC3843integratedwithfine-tuningoftheoscillatordischargecurrent(whichcanpreciselycontrolthedutycycle),current-modefrequency(availableat500KHz),auto-forwardcompensation,latchingpulsewidthmodulation(whichcanb-weeklimit),theinternaltuningreferencevoltage(withundervoltagelockout),undervoltagelockout(withdelay),lowstartupandoperatingcurrent.Thesstemcircuitincludesarectifierfiltercircuit,DC-DCconverter,currentprotectioncircuit,voltageregulatorfeedbackcircuitandtheMCUcontrolcircuit.Switchingstabilizedpowersupplyoutputvoltagecanberealizedintheprogrammableoutputbetween30V～36V,maximumoutputcurrentof2A,theefficiencyofgreaterthanorequalto85%.Inordertomakethesstemgetahigheroutputvoltagedivisionnumber,increasednumberofpotentialcontrolcircuit,theoutputvoltagecanbelessthan1Vstepadjustment.KEWORDSDC-DC,UC3843,switchingstabilizedpowersupply.方案论证1.DC-DC主回路拓扑。方案一：间接直流变流电路。结构图如图1-1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的电路，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。图1-1-1间接直流变流电路方案二：Boost斩波电路。拓扑结构如图1-1-2所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压上升，而电容C可将输出电压保持平稳，输出电压与输入电压的关系为:通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构简单，损耗较小，效率较高。图1-1-2Boost升压电路综合比较，基于对电路结构和效率的考虑，选择方案二。2.控制方法及实现方案方案一：用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此方法较易实现，工作较稳定，控制芯片自动实现闭环稳压控制，使得软件容易实现，但不易实现输出电压的键盘设定。方案二：用单片机产生PWM控制信号。单片机根据取样电路的反馈对PWM信号做出调整以实现稳压输出。这种方案虽较为灵活，但不易实现闭环控制，增加了软件的工作量，且输出噪声纹波较大。综合考虑，在这里选择方案一。3.系统总体设计框图系统总体设计框图如图3-1-1所示：图1-3-1总体设计方案图4.提高效率的方法及实现方案1）选择合适的开关工作频率为降低开关损耗，工作频率不宜过高，为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后把开关频率选定为11.25KHz。2）Boost斩波电路中开关管的选取电力晶体管耐压高、工作频率低、开关损耗大；电力场效应管耐压低、开关损耗小、工作频率较高。3）Boost斩波电路中二极管的选取本电路工作频率高、电压低、对二极管的开关速度要求高，对反向耐压要求不高。快速恢复二极管开关速度高，恢复时间短，并且正向压降低，方向耐压也已经满足要求。4）Boost斩波电路中电感的选取由于电感工作在I类状态，电流有很大的直流分量，为防止电感饱和，磁芯需加气隙。由于本系统功率大于120W，需要大容量的磁芯和较大截面积的导线。故使用EE42型磁芯和漆包线绕制。电路设计及参数计算主回路器件的选择及参数计算系统主回路由Boost升压电路构成，如图2-1-1所示。图2-1-1Boost升压基本电路当U2min=15V，Uomax=36V，Iomax=2A时，POmax开关管场效应管以及快速恢复整流二极管的选择当MOS管导通时，电流流过MOS管，整流二极管承受反向电压；当MOS管关断时，电流流过二极管，MOS管承受正向压降。比最大值各留一倍的余量，故MOS管的IDmax（IN沟道MOS管IRF540其开关速度快，损耗小，且导通内阻小，其主要参数为：VDSS=100V、ID=23A、RDSC≤77mohm。所以本系统选用IRF540作为Boost斩波电路中的开关管。FR607的驱动芯片的选择UC3843是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器，电流取样比较器和大电流图腾柱式输出。所以本系统选用UC3843作为MOS管驱动芯片。占空比的计算：D≈1-所以当U2=15V，UO=36V当U2=21V，UO=30V电感的参数计算电感值的计算：L式中，m是脉动电流与平均电流之比，取0.25；开关频率f=11.25KHz；输出电压UO=36V时，L电感线径的计算：流过电感的最大电流IL=6.4A，取电流密度J=4A/mm2，线径为d，则由电容的参数的计算C式中，∆UO为负载电压变化量，取20mV。f=11.25KHz，U控制电路的设计与参数计算主控制器的选择ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。其数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。此控制器足够满足本系统设计要求，所以本系统主控制器选用ATmega16。A/D采样系统的选择与设计系统对A/D采样的精度要求：题目中最高要求为0.2%，欲达到这一精度，A/D精度至少要达到1/500，即9位的精度。主控制器ATmega16内置10位A/D，只要合理设定测量范围完全可以达到题目的精度要求，所以为减少系统电路模块，减少系统功耗，本系统选用主控制器ATmega16内部A/D采样系统。保护电路的设计与参数计算输入电流保护在交流输入端串联熔丝（250V、8A），从而实现过流保护。反接保护反接保护功能由二极管和熔丝实现，电路如图2-3-1所示。防开机“浪涌”保护用压敏电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，电路如图2-3-1所示。图2-3-1输入保护电路步进电压控制及显示电路的设计分别通过键盘和LCD实现电压步进和显示。通过键盘调节数字电位器X9312的电阻值从而实现电压的步进调节；输出电压的量通过LCD12864显示。效率的分析及计算测试条件为：（U2=18V,输出电压UODC-DC电路输入电压：UIN信号占空比为：D≈1-输入电流有效值：I输出功率：P下面计算电路中的损耗P损耗Boost电路中电感的损耗P式中，RL为电感的直流电阻，取50mΩ，代入可得PBoost电路中开关管的损耗开关损耗P式中，tr=190ns，tf=导通损耗P式中，RDSON=77mΩ，电流感应电阻RSNS取0.1整流二极管的损耗P式中，IO为二极管导通时流过的电流，即流过电感的电流，约为IO=IIN综上，电路总损耗P损耗=4.5W软件设计鉴于单片机计数比较成熟，且开发过程中可以利用的资料和工具丰富、价格便宜、成本低。故设计用C语言对其编程并烧录到芯片内部，C语言表达和运算能力比较强，且具有很好的可移植性和硬件控制能力。采用AVRStdio4.0编译器进行程序编译和开发，此平台界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强的功能。1．软件设计和硬件设计的关系硬件设计和软件设计是电子设计中必不可少的内容，为了满足设计的功能和指标的要求，我们必须在开始设计时就考虑到硬件和软件的协调；不然不是造成硬件资源的浪费，就是增加软件实现时困难和复杂程度，甚至造成信号的断层，即使硬件和软件能单独使用，却不能使它们组成的系统工作。故在设计的过程中必须考虑软硬件的处理能力以及它们的接口是否兼容，实现软硬件的信号过度。其次设计时硬件之间应尽可能减小联系，只要把必要的信号线相连则可。这样做的优点是：首先，调试时可以减少很多不必要的麻烦，因为电路模块是相对独立的，故在调整电路参数值时其影响和干扰就小，在满足系统设计模块的要求后可单独对控制模块进行调整；再者，当出现问题时检查电路就容易缩小问题的范围，使得排错效率高。由于硬件的分离，在软件的调试时就可以单独针对控制模块。2．系统程序设计 主程序流程图如图3-1-1所示。程序清单见附录2。系统测试及结果分析测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表4-1-1所示。表4-1-1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1数字存储示波器12UNI-T标准型数字万用表53大功率变阻器1300W50Ω测试方法测试连接如图4-2-1所示。图4-2-1测试连接图测试数据电压调整率SU测试（测试条件：I测试方法：在测试条件下，通过调整自耦变压器改变U2，测量U表4-3-1测量结果U15V17V19V21VU35.7935.9036.0136.22由以上测试结果可以计算出，系统电压调整率为：SU负载调整率测试方法：在U2=18V表4-3-2测量结果I00.51.01.5U36.0036.1035.9634.96由以上测试结果可以计算出，系统负载调整率为：S满足题目要求。效率测试方法：在U2=18V,输出电压UO