开关稳压电源__简易报告
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开关稳压电源
1．方案论证
本设计是根据本次电子竞赛题目的基本要求所制作的开关稳压电源，系统分为AC-DC变换电路、DC-DC变换电路、数字设定与显示电路、保护和测量电路等四部分。现对系统重要部分作方案论证。
1.1 DC-DC主回路拓扑的选择
根据题目要求DC-DC变换器由以下两种方案可实现：1）采用Boost型拓扑结构变换器实现；2）采用推挽型拓扑结构变换器实现。
Boost变换器容易实现，且技术成熟；推挽变换器中可能出现单向偏磁饱和，容易使开关管损坏。经比较，决定主回路拓扑结构采用Boost型拓扑结构变换器。
1.2 控制方法
方案一 脉冲宽度控制 脉冲宽度控制是指开关工作频率(即开关周期)固定的情况下直接通过改变导通时间来控制输出电压大小的一种方式。因为改变开关导通时间就是改变开关控制电压的脉冲宽度，因此又称脉冲宽度调制(PWM)控制。
方案二 脉冲频率控制 脉冲频率控制是指开关控制电压的脉冲宽度不变的情况下，通过改变开关工作频率(改变单位时间的脉冲数，即改变T)而达到控制输出电压大小的一种方式，又称脉冲频率调制(PFM)控制。
PWM控制方式因为采用了固定的开关频率，因此，设计滤波电路时就简单方便,而脉冲频率控制方式开关频率不确定，滤波电路较复杂，对硬件要求高。所以采用方案一 作为控制方法。
1.3提高效率的方法
提高开关电源的效率方法：(1)采用软开关PWM变换控制技术提高效率； (2)改进驱动电路及优选参数提高效率；(3)改进缓冲吸收电路及参数选取提高效率；(4)改进磁性部件的设计提高效率；(5)正确选取功率器件，降低损耗提高效率等。
本设计采用提高效率的方法有：(1)改进缓冲吸收电路及参数选取提高效率；
(2)改进磁性部件的设计提高效率；(3)正确选取功率器件，降低开关损耗提高效率。
具体：{ 通过提高工作频率，让工作频率达到100KHZ；
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）
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。 }
以过验证，本设计的系统原理框图如图1-1：
输入给定ATmega16DC/DC变换液晶显示AC/DC变换输出
图1-1 系统原理框图
220V交流电压经整流滤波后，得到约89Ｖ的直流电压加到DC-DC变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动场效应管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。
2．电路设计
2.1 主回路电路原理图
Boost变换器是DC-DC变换器中、最易于实现的、最常用的、最成熟的和输出电压等于或小于输入电压的非隔离型变压电路，且输入与输出负端是公共端。原理图如下：
Q3L1D10.2ΩR7+152200uFC2100V51KR910KR10103C5104C62200uFC3100VC
图2-1 Boost原理图
2.2 控制电路设计与参数计算
控制电路以脉宽调制电路TL494为控制核心。其内部功能框图与基本单元电路如图2-1所示。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于开关电源的各种拓扑结构。 TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：
TT1.1fosc=RC
振荡器双稳态触发器＆＆≥1≥1≥1基准电压调节65412315161471210119813VccVccRTCT死区时间控制误差放大1反馈PWM比较器输入误差放大2基准电压地死区时间比较器0.12V0.7V0.7mAPWM比较器过压锁定DQQCkVT1VT24.9V
图 2-2内部功能框图与基本单元电路
VREF14DTC4IN1-2RT6CT5GND7E19IN1+1CMPEN3VCC12C18IN2-15CNTLO13C211IN2+16E210U1TL494CN+15+1550KR11000pFC110KR21MR33KR43KR5AAQ19013Q29012Q310ΩR6L1D10.2ΩR7+15D2C+15+15
图2-3 TL494应用原理图
如图2-3所示本设计fosc=43KHz,根据TT1.1fosc=RC得fos=1.1÷(C1×R1) 得R1=43KΩ
2.3 效率的分析及计算
开关电源由于其功率变换装置工作在高频开关状态，与线性稳压电源相比，具有体积小、效率高等特点。但是，开关电源的损耗是开关电源实现高频化、小型化的障碍。
造成效率降低的原因很多，主要有：
1）变换器控制技术不合理；
2）功率开关管栅极驱动电路参数设计和布局不合理；
3）高频变压器设计出现问题；
4）吸收回路的电路结构及参数选取不合理；
5）滤波电感线圈设计出现问题；
6）开关管的特性引起的问题等。
效率的计算公式如下：
0100100OOinININPUIPUI
2.4 保护电路设计与参数计算
过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。通过在输出端接入反馈电阻由单片机通过A/D转换监测输出电流值，在电流值高于2.5A时关断电路。考虑到负载会消耗功率，降低DC-DC的效率，采样电阻选用3W,0.5Ω的电阻。
2.5 数字设定及测量显示电路的设计
数字设定及测量显示部分由AVR ATMEGA16单片机、4×4键盘和128×64液晶显示器构成。与普通的LED相比，液晶显示界面与操作界更友好。
单片机程序采用C语言编写，与其他语言相比，具有简单、方便、移植性好及可读性强等优点。系统程序设计分成了两个模块，即主控程序模块和中断服务程序模块。
如果图2-4所示主控程序工作原理是，在单片机上电后对D/A芯片、A/D、液晶显示器等进行初始化。然后进行键盘扫描并根据键盘的设置值，进行相应的显示，在A/D转换完成后产生中断并进入中断服务程序对A/D转换的数据进行处理。中断服务程序流程图见图2-5。
开始D/A初始化A/D及I/O设置液晶显示初始化界面显示显示(U、I值)扫描键盘数据处理数据命令NOYESkey发送命令保存当前记录A/D值处理(U、I值)并保存恢复数据返回主程序A/D中断入口
图2-4 单片机主控程序流程图 图2-5单片机中断服务程序流程图
3．系统测试
3.1 测试方法
出于安全考虑，在系统测试过程中用到了5只数字万用表。其中有监测隔离变压器的副边电压、UIN、IIN、输出电压和输出电流。用示波器检测输出波型，观察纹波，及TL494的输出波形，并记录数据。
3.2 测试仪器
1) 40MHz模拟示波器（双通道） 1 台
2) 普通数字万用表 4只
3) 四位半数字万用表 1只
4) 单相自耦调压器 1个
3.3 测试主要数据
4.3.1 输出电压可调范围(见下表)
表4-1
设定值 实际输出值
30V 30.01V
31V 31.00V
32V 31.99V
33V 33.00V
34V 33.99V
35v 35.00V
36V 36.01V
3.3.2 输出最大电流
理论值：2A; 实测值: 2A
3.3.3 电压调整率
设定值为36V:
当U2=15V IO=2A 时: UO=35.96V; 当U2=18V IO=2A 时 UO=35.93V;
当U2=21V IO=2A 时: UO=35.95V;
可得电压调整率≤0.2％
3.3.4负载调整率
当U2=18V IO=0A 设定值为36V时 UO=36.08V;
当U2=18V IO=2A 设定值为36时 UO=35.93V;
可得负载调整率≤0.5％
3.3.5 DC-DC变换器的效率
当UIN=24V IIN=3.66A 时U2=18V IO=2A UO=36V
效率η=0100100OOinININPUIPUI≈81.9％
3.3.6 输出纹波测试
测试方法：用示波器测试，AC耦合，20ms/div扫描速度。
测得最大输出纹波电压峰峰值为41mv（题目要求<=1V）
（纹波测试技巧：示波器探头夹在电容两个引脚端，越近越好，这样测试纹波则相当小。）
