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1、开关稳压电源的设计与制作,2019国赛：设计并制作如下图所示的开关稳压电源。,二、要求 在电阻负载条件下，使电源满足下述要求： 1基本要求：输出电压UO可调范围：30V36V； 最大输出电流IOmax：2A； U2从15V变到21V时，电压调整率SU2%（IO=2A）； IO从0变到2A时，负载调整率SI5%（U2=18V）； 输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； DC-DC变换器的效率70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； 具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A；,2发挥部分 进一步提高电压调整率，使SU0.2%（IO=
2、2A）；进一步提高负载调整率，使SI0.5%（U2=18V）； 进一步提高效率，使85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态； 能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。,简介 由于线性调节器式直流稳压电源，存在诸多缺点，如体积大，很难小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压，很难在输出大于5A的场合应用。 因此开关电源得到广泛利用，凡采用半导体功率开关器件作为开关管，通过对开关管的高频开通与关断控制，将一种电能形态转换成另一种电能形态的装置，叫做开关转换器
3、。以开关转换器为主要组成部分，用闭环自动控制来稳定输出电压，并在电路中加入保护环节的电源，叫做开关电源。开关电源组要组成部分是DC-DC功率变换器，因为它是转换的核心。 高频开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。分类多，应用广。开关电源参数有额定输出电压、额定输出电流、输出电压的稳定范围，输出电流的变化范围和输出电压的纹波。开关电源应具有输出过压、欠压、过流和过热保护功能，还应具有较高的电能转换效率、低的转换损耗、低的噪声、好的电磁兼容和绝缘性等。,DC/DC升压电路有很多，Buck电路，Boost电路，Cuk电路 隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、
4、推挽电路 推挽式升压原理： 根据变压器得变压比：变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级，在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势，当N2N1时，其感应电动势要比初级所加得电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当N2N1时，为降压变压器。,这种电路结构特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断。 优点：高频变压器磁芯利用率高、输出功率大、驱动电路简单.,器件的选择： 控制芯片：KA3525 ,SG3525 ,TL494 开关管： IRF640 IFR540 系列 MOS 场效应管 IRF640,18A,200V Rds
5、 (on) =0.180欧 所以不会击穿同时导通损耗也比较小。 可自查资料准备,我们使用台湾KA3525 PWM调变IC来作此推挽式转换的控制IC，此IC具有振荡器，利用改变RT与CT之值，就可以设定PWM的切换频率；此外尚有两组PWM输出、软启动及完全截止的功能，因此在电路设计上可大大降低硬件电路。KA3525采用电压模式控制方法。占空比为0-100%，考虑到死区时间，最大占空比通常为90-95%。其采用分频器，可以得到两路互补的占空比分别为0-50%的PWM信号，同样，考虑到死区时间的存在，最大占空比通常为45%-47.5%。这样的PWM信号试用于半桥、全桥、推挽等双端电路的控制。,KA3
6、525内部结构,引脚功能. 软启动：由于次级通常有大滤波电容,所以开关电源在启动时不以额定功率启动,否则相当于短路.只能小电流充满大滤波电容以后再正常工作.这就是软启动.KA3525自带软启动功能，在第8脚处接5uF电容。（） 充电完成后再振荡。,变压器设计绕制,设定开关管工作频率为50KHz，初级采用抽头的形式根据法拉第定律,取原线圈为4匝+4匝。 设原边最小输入电压为16V，副边最大输出电压为42V，所以原副匝比2:6，副线圈为12匝。实际上由于绕制变压器工艺的限制，我们的变压器的原边线圈是以绕满一层为止，前提是匝数不小于4，副线圈的匝数按匝数比来绕制. 骨架的选择应选用高频变压器骨架，目
7、前常使用的有金属锰锌镁铜等， 绕制时应使初、次级线圈紧密地耦合在一起，这样可以减少变压器漏感，因为如果漏感过大，将会造成较大的尖峰脉冲，从而击穿开关管。因此在绕制高频变压器线圈时，应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。 漆包线线径的选择，要使电流大，那么线径要大，但过大会产生趋肤效应，使电流减小。所以可以多组并绕。 包胶带,前级电路,设定与稳压 开环稳压 通过改变输出PWM波的占空比，来调节输出电压的大小 在实际电路中，DA设定值接在误差放大器的同相输入端上，设定输出电压，输出电压的采样电压加在误差放大器的反相输入端上实现稳态。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减
8、小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 缓冲电路 输出电压有较大尖峰，这是由于开关管的高频开关造成的，尤其是关断时，由于电路有寄生电感，瞬间电路的切断会在电感两端出现冲击电压，因此对开关管加缓冲电路，并上R、C改善关断性能。 驱动问题（）,后级电路,输出为全桥整流，四个整流二极管均并上R、C，因为当输入停止的时候，会有反动电动势 在输出端接上加假负载,如图R19和R20组成。因为负载开路时，输入电感照常周期性地不断储能和释放能量，而能量没有被负载消耗，电容将持续升高即
9、多余的能量都存储到电容极板间，很快导致电容击穿。因此接上假负载，也就说，当检测到电源处于空载转态时，自动投入一个轻负载，这个负载电阻值较大，即能维持输出电压为给定值、本身功率损耗又较小。,过流保护电路,当电路输出电流过大，或者负载短路时，将对负载造成伤害，因此过流保护是必须的。,我们把电流信号转换成电压信号放大后，经电压比较器比较。其中采样电阻为康铜丝或大功率低阻值电阻，所采集的电流信号经放大后，输出比较器的同相输入端，当负载过流时候，比较器输出高电平 。Shutdown（引脚10）上的信号为高电平，PWM琐存器将立即动作，禁止KA3525的输出，对电路及负载起了保护作用，同时，软启动电容将开
10、始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。,AD采样电路： 可选TLC2543,它是一款12位11通道的AD转换芯片。 在AD采样的入端需要对待测电压或电流滤波，则滤波电容不宜过大，否则会影响响应时间而造成测量滞后，照成调节不准。 可使用C8051,注意: 在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题，导致整机会有一个100Hz的工频干扰。改进措施是系统地线不能出现环路，所有地线最好一点接地，包括单片机的数字地和模拟地。 2、在变压器设计的时候，线圈匝数过多会出现铜损加大，虽然铁损减小了，但是得不偿失。 3、由于该电路的输出结构
11、会使整流二极管要耐两倍以上的变压器输出电压，一般100V的肖特基二极管不能满足整流要求，所以用上快恢二极管，这使得效率有所下降。,损耗分析,在总损耗中，MOSFET的导通损耗和变压器的绕组损耗占很大比重。而它们都与流过电流的有效值的平方成正比，所以要想减少这部分损耗，就必须减小流过其的电流有效值，减小绕组和MOSFET的导通电阻。 在输出功率相同的情况下，减少电感电流的峰值，由于每个开关周期电流的变化量减小，磁通变化量随之减小，占总损耗比例较大的磁芯损耗也将减少。所以，降低每个开关周期电流峰值和有效值，将能显著提高变换器的效率。 为了改善MOS管的开关损耗，一方面可以从驱动信号个PCB入手。使驱动信号上升沿和下降沿尽量陡，可以减少开通和关断时的电压电流重叠区，从而降低损耗。 由理论分析可以很自然的推出以下结论：在PWM开关频率较高的情况下，输出波形较为光滑，而在PWM开关频率较低的情况下，输出波形的波动要明显一点。实验测试也证明了这一点。实际上，选择不同的开关频率，对应的输出电容的选择也相应的要变化，这样也可以将输出波形的波动限制在一定的范围内。以上是开关频率变化时需要考虑的主要几点，此外，系统中的很多电路参数也要相应的变化。,
