2007年开关稳压电源_国赛一等奖
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开关稳压电源作者：陈国贞陈涛李强一等奖作品摘要：使用PWM控制器SG3524设计并制作了一种推挽型DC/DC变换器，输出电压可在30～36V可调，系统效率可以达到92%。
整个变换器由C8051F020型单片机作为控制核心，可以将输入输出电压、电流和系统效率显示出来，并可以对输出电压预设和步进调整，还可以实现过流保护和过压欠压指示，完成了基本部分和发挥部分的所有要求。
关键词：推挽 SG3524 C8051F020Abstract: Using PWM controller SG3524, we designed and produced a push-pull DC/DC converter ,whose output voltage can be adjustable from 30V to 36V .The system efficiency can reach 92%.The converter uses C8051f020 as a controller .The input and output voltage ,input and output current ,and system efficiency can be displayed . It also has over-current protection ,over-voltage and under-voltage instructions. You can preset and step the output voltage. The converter realizes all the basic part and exertion part requirements.Keywords:push-pull SG3524 C8051F020一、系统方案选择与论证1.主回路拓扑方案选择与论证方案一：非隔离式升压型DC/DC变换器（图省）如图1，功率开关管和负载直接与整流电路串联，输出电压可以通过公式一求得，该方案简单，调整方便，可靠性高，但是在大功率输出时效率提到很高则变得非常困难，而且输入输出之间没有电的隔离。
方案二：单端正激DC/DC变换器如图2，输入电能通过整流二极管D1、D2传递给负载，同时将部分能量储存在储能电感L中。
该方案利用高频变压器原副绕组隔离的特点，可方便地实现输入和输出之间电的隔离，而且很容易实现多路输出，但是此方案中的高频变压器磁芯仅工作在B—H曲线的一侧，因而磁利用率和效率都低。
方案三：推挽型DC/DC变换器如图3所示，由两个单端正激开关电源叠加而成，所以输出电压是单个单端正激开关电源输出电压的两倍，该方案在场效应管导通期间，高频变压器原边两/n。
因此能获得较大的输绕组的总电压是两倍输入电压，整流电压的幅值等于UI出功率。
而且驱动电路简单。
不过会因磁芯饱和出现集电极电流尖峰而导致开关管损坏，对功率管的耐压要求高。
考虑到系统效率要达到85%以上，我们选择了方案三来制作升压电路，这样的话不但输出电压可以很容易达到题目要求，而且高频变压器的利用率很高，输出功率可以做的很大。
2.PWM控制芯片的选择方案一:TL494。
TL494内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，但在本系统中不能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，不便于实现过压过流保护。
方案二:SG3524。
SG3524具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便地实现过压过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180°的PWM信号，有效地减少输出电流的纹波，适合于推挽拓扑电路。
方案三:UC3842。
UC3842是电流型PWM控制芯片，适合于单端直流变换器，有欠压和关断功能，但滞后电压为6V，负载调整率较高，可以逐脉冲限流。
另外也没有强制封锁端。
考虑到系统已经选用推挽电路，而且要求有过流保护，我们选择SG3524作为PWM信号控制芯片，内部具有过流检测端和自动封锁端，配合软件不需要搭建复杂的保护电路，还可以具有自恢复功能。
3.提高效率的方法(1).我们在设计过程中发现选定较高或较低的频率都会使效率降低，经过反复测试，最终选定了开关频率为140KHz。
(2).使用专门的MOS驱动芯片，比如MC34152,对PWM信号整形，使驱动波形上升沿和下降沿陡峭，减少开关损耗。
(3).改善变压器的绕制工艺，使其漏感尽量小，使用多股铜线并绕的技术降低趋肤效应，降低铜损。
(4).选用低压差的肖特基二极管，降低整流损耗。
(5).在合适地方添加吸收网络，减少阻尼振荡。
经过综合考虑，我们采用(1)(2)(3)(4)来提高系统效率,同时使用液晶显示，电流传感器采样，降低功耗，使系统效率能够达到90%以上。
二、主要硬件电路设计和参数计算1.单片机控制电路的设计我们使用C8051F020型单片机，其有丰富的内部资源，包括本次设计用到的AD、DA和丰富的I/O口资源。
用来采样输入输出电压电流值，控制输出电压步进和预设，同时控制保护电路。
具体硬件电路参看图4.2.输入输出整流滤波电路设计为滤除交流电源线上的外来干扰，同时能避免向外界发出噪声。
在电源的输入端加了EMI滤波器。
采用全桥整流和型滤波电路技术，对经过220V／18V交流变压器的交流信号进行处理，最后得出的整流滤波后的电压。
据题目要求，当交流输入电压从15V到21V变化时，输出电压会在18.3V到26.1V之间变化，参看图5。
为了使纹波电压尽可能降低，达到1V，以至于不影响后级电路的设计，取C 1＝10000μF,C2=4700μF,滤波电感使用PQ32/30磁芯绕制4层，经过实际测量纹波电压不超过1V。
输出回路采用全桥整流和LC滤波技术，电路图和图5相比只是少了C1和F，其他一样。
其中C2=4700μF，滤波电感也是使用PQ32/30磁芯，但是是用6股Ф0.5的铜线并绕3层。
3.主回路拓扑电路（图省）SG3524是美国硅通用公司生产的双端输出式脉宽调制器，工作频率高于100KHz，工作温度为0℃～70℃。
我们设定的最高的开关频率为140KHz，所以通过公式四可以计算得到C3=0.3Mf,R3=3.3KΩ。
+5V输出电压经过取样由R1、R2、R9、R10构成的电阻网络分压后获得取样电压，送至误差放大器反相输入端；C8051F020的DA输出的电压送到误差放大器的同相输入端。
通过DA控制误差电压，使PWM 信号的脉冲宽度发生相应的变化，经输出电路迫使输出电压跟随DA输入电压变化，从而达到稳压目的。
MC34152是将SG3524产生的PWM信号整形，使PWM信号的上升沿和下降沿变得更加陡峭，减少开关损耗。
R7、R8是用以消除脉冲信号阻尼振荡的消振电阻。
开关管选用了耐压150V的MOS场效应管IRFB52N15D，导通电阻很小；整流二极管使用能够耐100V的肖特基二极管，压降小，可以避免功率的不必要损失。
4.高频变压器的设计高频变压器的设计要求为开关频率最高为140KHz，最小为60KHz，输入电压UIN为18.3V～21.6V。
额定输入电压为18V，输出电压30～36V，输出电流要求能够达到2A，整流管正向电压降为1.2V。
具体设计过程为:(1).变压器的传输功率为：考虑副边绕组铜耗，采样、过流保护信号等电阻损耗和原边开关损耗后，设效率为90％则输入功率为(2).由PQ磁芯的最大传输功率（100KHz）关系可知，至少需要PQ26／20型的磁芯。
由于题目中并没有体积要求，为了使最大传输效率达到最佳效果，而且考虑到目前有的几种磁芯型号，选用了PQ40／40型磁芯。
其每伏输入电压对应的匝数，绕线窗口面积，窗口有效利用系数=0.56。
(3).原边线圈的匝数，取整=5匝。
(4).副边线圈的匝数，取整为16匝。
(5).根据趋肤深度和频率的关系可知穿透深度为(mm)经过反复调试我们最终设计的高频变压器初级线圈用铜皮绕了6匝，次级线圈用Ф0.5mm的铜线16股并绕了18匝，初级和次级线圈都有中间抽头，使得能够流过满足题目要求的足够大的电流。
5.效率分析及计算我们对内部各部分电路功率损耗进行了简单的估算，结果参看表1，那么功率损耗综合大约为6.3W，输出功率最大值为74.4W，则系统效率约为92.2％。
6. 保护电路的设计我们为整个系统设计了过流保护，而且有自恢复功能，在此基础上还增加了过压和欠压显示。
单片机检测到输出电流超过2.5A时，向SG3524发出过流信号，送至电流检测端-INV，然后SG3524停止工作，使输出回路断开，达到过流保护。
由于U的范围为18.3V～26.1V我们在26.5V过压和14V欠压。
过流保护、过压IN欠压指示电路参看图7。
（图省）7. 测量电路的设计(1).输入输出电压的测量将输入电压经过电位器分压后送到单片机的AD里面，将电压计算出来。
输出电压也是一样。
(2).输入输出电流的测量我们使用了霍尔电流传感器CS005、CS020，其具有耐压高、成本低、性能稳定等优点，二者分别对输入输出电流采样，并将电流信号通过电阻转变成电压信号，剩下的工作和输入输出电压测量一样。
用CD4051控制两路电压信号和两路电流信号的分时采样，仅使用一个AD就可以完成四路信号的采样测量。
8.键控和显示电路的设计我们使用了ZLG7290制作了键盘控制电路，具有功耗小，需要资源少，操作方便等优点。
显示电路采用FYD12864将测量结果显示出来，最大的优点就是功耗小，界面友好，将输入输出电压和输入输出电流都显示出来，同时将效率也显示出来。
三、软件设计我们通过C8051F020内部AD/DA,设计能够检测四路电压电流信号，并控制实现键控、预设和数字显示。
软件流程图参看图8.（图省）四、系统测试及结果分析1.测试仪器这次我们整个测试用到的仪器有①.DH1718D-5型双路跟踪稳压稳流电源②VP-5220A-1型模拟示波器③MASTECH公司的MY-65型万用表④型调压器2.测试步骤(1).键控、显示和预设功能测试。
将UO预设在36V，然后用键盘控制步进减到30V时，然后步进增到36V，步进值设定为1V，每一次测量中都用万用表测量输出电压值，测试实际结果见表2。
然后一次按下想要预设电压值的十位、个位、十分位，但设定值不能超过30到36V的范围。
我们测试了三组结果见表3.(2).电压调整率。
调整负载，使IO ＝2A，UO＝36V，用调压器缓慢调整交流电网电压，使得U2在15到21V之间变化，记下输出电压的最大值和最小值。
实际测得最大值为36.03V，最小值为35.98Ｖ。
(3).负载调整率。
调节调压器，将U2设定到18V，再把输出电压设定为36V，调节负载，使得IO从0到2A变化，记下输出电压的最大值和最小值。
