开关稳压电源

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RHRP15120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；SG3525产生高频脉冲控制DC-DC变换，ADuC812实现显示、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步对负载电压进行精确控制。

1.2 方案的论证 1.2.1 DC-DC主回路

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。

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： ⒈控制软件编程工作量大、难度大； ⒉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； ⒊该设计要求对DC-DC变换器实现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： ⒈控制系统软件编程工作量较小，难度不大； ⒉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； ⒊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： ⒈硬件电器设计难度较大； ⒉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。 1.2.3 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： ⑴ 通过提高工作频率，让工作频率达到100KHZ； ⑵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 ，ID= 18 A）

⑶选用快速恢复整流二极管，减少反向导通时间，减少损耗。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=18～24V，输出电压Vo=30～36V，输出电流Io=0～2A,开关频率fs=100kHZ,设定纹波电流ΔVo＜1V，分别计算电感、电容器和二极管的参数： 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驱动等功能的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R1取样反馈到SG3525的引脚1端（误差放大器反向输入端）；单片机ADuC812采集R1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PWM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 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Io(th)=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 测试方法与数据 3.1 测量输出电压U0可调范围 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30～36V。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) 1.98 1.92 1.87 1.83 1.76 1.70 1.65

输出端电压(V) 36 35 34 33 32 31 30

表1 输出电压调可调范围 3.2 测量输出电流Iomax

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SU

DC-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。 U2 (V) 15 16 17 18 19 20 21 Uo (V) 35.29 35.31 35.34 35.92 36.65 36.68 36.71 SU 1.97% 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SI

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。可计算出电压调节率 3.61%＜5% 3.5 测量输出噪声纹波电压峰峰值

先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大观察和测量（自动测量或光标测量均可），同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析最大纹波电压（用纹波电压峰峰值表示）。当输出电压为36V时，不同时段经多次测量纹波峰峰值Uopp≤1V。 以凌阳16位单片机为控制核心，具有电压可预置；可步进调整；输出电压、预置电压、输出电流同时显示；过流保护及自动恢复功能。并较好的完成了基本和发挥部分的各项指标。另外又增加了30V-36V精确调整、语音播报及人性化的声光警示功能。系统主要包括：凌阳SPCE061A精简开发板、键盘与LCD显示电路、整流滤波电路、开关控制电路、反馈控制电路等。 关键词：SPCE061A，TL494，闭环控制，PWM

Abstract： This paper designs a switch power supply, using Sunplus SPCE061A as centre of the control, which can set the voltage in advance, adjust the value in step, display the output voltage, the pre-set voltage and the output current at the same time and has the sage guard for the current. Both the basic and the advanced requirements have been finished perfectly. In addition, we add some extra functions such as adjusting the voltage from 30V to 60V exactly, voice broadcasting and warning function using sound and light. The system contains Sunplus SPCE061A, keyboard and LCD circuit, switch control circuit, commutation and filtering circuit, feedback control circuit, and so on. Keyword: SPCE061A, TL494, closed loop control, PWM

1系统框图 图1系统框图 2 方案比较与论证

2.1 DC-DC变换电路的选择 方案一：单端正激式变换器 该种方式电路结构简单，但其变压器利用率低且结构复杂，不适合自己绕制,体积也较大。