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1、开关稳压电源摘 要本设计综合考虑题目基本部分和发挥部分的指标要求，系统采用简单的boost 升压电路作为 DC-DC 变换器主电路；PWM 控制器采用低压型专用集成芯片 TL3842; 主开关管采用 IRF540；由内置 12 位 A/D、D/A 的高性能、低功耗cortex-m3 芯片组成系统测控与显示单元，采用液晶显示器作为系统的状态和运行数据显示屏。通过实际测试，作品的性能指标中，输出纹波完全达到了要求；电压调整率，整体效率，负载过流故障排除后自恢复功能，输出电压键控 1V 步进，电流、电压实时测量及数显功能等几项指标达均到了发挥部分要求；负载调整率也接近发挥部分指标要求。另外，系统还增
2、加了实时输出功率数据显示和负载过流保护等实用功能。1一、 引言为了满足题目发挥部分规定的电压调整率、负载调整率以及效率等几项指标要求，我们在设计中主要是尽量减少辅助控制电路的损耗。通过 ARM 和脉宽调制电路来稳定输出电压，并通过 ARM 的控制实现对整个电路的过流保护功能，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常工作状态。同时，当输出电压与设定电压误差较大时，ARM 能对输出电压进行一定调节，以提高负载调整率；通过ARM 实现了输出电压的键盘设定和步进调整（步进为 1V） 。系统具有测量和数字显示输出电压、电流的功能。此外，还增加了实时输出功率测量与显示、在输出过流的时候过流保护等功能。二、方案
3、论证与比较1DC-DC 主回路拓扑方案论证方案一：采用变压器升压的隔离型 PWM 直流直流变换器电路，此电路效率较低，开关辐射/纹波较大，电路较复杂。方案二：采用非隔离型 BOOST 升压电路，控制电路用专用集成芯片TL3842，这种电路使用的外部原件最少、调试容易、成本低、效率高。因此，采用此种方案。2. 控制方法及实现方案方案一：采用电压型脉宽调制技术，产生频率固定，脉冲宽度可调整的方波脉冲，采用电压反馈环控制系统，它的反馈信息取自输出电压，用反馈电压调整控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲占空比，实现开关电源的稳定。方案二：采用电流型脉宽调制芯片，此技术与传统的仅有输出电压反馈的PWM 系统相
4、比增加了一个电感电流反馈。此反馈就做为 PWM 的斜坡函数，就不再需要锯齿波发生器，更重要的是使用电感电流反馈使系统的可靠性有了明显的改善，经比较具有如下优点：1) 使系统具有快速的瞬态响应及高速的稳定性。2) 输出电压精度很高。3) 具有内在的对功率开关管电流的控制及限流能力。4) 具有良好的并联运行能力。可以看出方案二的控制性能明显优于方案一，所以采用方案二。3. 提高效率的方法及实现方案ARM 系统及其它辅助电路的功耗对电源的整体效率有很大的影响。所以选用一款功耗低的 ARM 作为控制与显示单元电路。采用效率高、开关速度快、损耗小的 MOS 场效应管作为主开关管。选用快速、低损耗的肖特基
5、二极管作为输2出端的整流/升压二极管。根据以上可以提高效率的方法综合出包括以下三个方面的方案：1) 使用 Cortex 系列内置 12 位 A/D、D/A 转换器的新型高性能、低功耗Cortex-M3，由于 A/D、D/A 转换器内置，并具有可编程的前置放大器，外围电路结构简单，性能可靠，功能强大。显示器采用液晶屏。这样可以减小控制单元电路的损耗，使系统的整体效率提高。2) 使用高效率的 MOSFET 管 IRF540 代替传统的双极型晶体管，因为它的开关速度高、导通和关断时间短，开关损耗小，并且是电压控制型元件，驱动功率小，可以用专用集成电路直接驱动，不存在二次击穿，热稳定性好等，因而可靠性
6、高。3) 采用低功耗、超高速、反向恢复时间短的肖特基二极管 MBR1545，可有效降低开关损耗并提高开关频率。三、电路设计与参数计算1. 系统框架本系统由以下几大部分组成：隔离变压器（已提供） 、整流滤波电路、过流保护电路、DC-DC 变换电路、控制电路、键盘输入电路、显示电路等。图一2.主回路器件的选择与参数计算 整流桥的选择：隔离变压器输出的交流电压为 18V，整流桥的电流最大可达56A，为了得到较好的直流量，用全桥整流，整流桥的耐压应为 50V 以上，正向电流大于等于 8A，实际电路中采用 10A/600V 整流桥。滤波电容器选择：要求输出的最大电流为 2A，最大电压为 36V，所以输出
7、最大功率约为 72W，按照电路效率为 80计算。可得整个电路输入的功率约为390W。电路自身功率达 18W，根据 P=U2/R,可求得整流滤波电路的等效负载电阻R6欧姆，滤波电路的基波周期 10mS，按一般要求，滤波电路的时间常数CR30mS 50mS ，所以，滤波电容 C 选用 4700F/50V 和 1000F/50V 并联（考虑到有输入电流测试端口的存在） 。整流滤波部分电路图见图二。电源滤波器电流 I i n 测试端口2 2 0 /1 5 0 W4 7 0 0 / 5 0 V+1 0 0 0 / 5 0 V+图二 整流滤波部分电路图0 . 1V i n1 A2 2 0 V开关管的选择：
8、功率 MOSFET 具有导通电阻低、负载电流大的优点。栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对栅极等效电容（CEI）的充放电。流经 MOS 管的电流理论平均值：I D=TOFFIO/T=IO VO / Vi5A。所以，MOSFET 应选用平均电流大于 10A、电压大于 50V 的管子，实际选用 IRF540N，I F=28A、 VR=100V、P D=150W、R DS(ON)=0.077。升压二极管的选择：二极管要采用正向电压降低，反向恢复时间短的二极管，所以选用反向恢复时间为 60us 以下、反向耐压为 45V 以上的肖特基二极管。它是一种低功耗、超高速半导体器件，可
9、大幅降低开关损耗并提高开关频率。实际电路中选用 MBR1545：I F=15A、V R=45V。主储能电感器 L1 的制作。按公式：L 计算得电感量应大于等于fIO02)1(100H。实际采用 38的高性能环形高频磁芯、用 0.8 的漆包线绕 28 圈。3.PWM 控制电路的设计与参数计算控制电路的电路结构及参数如图三所示：采用低压电流型 PWM 专用集成控4制芯片 TL3842，开关频率约为 50KHz。主开关管源极电阻选 0.1/3W，所以，开关管的最大电流限制在 10A 以下。4.效率的分析及计算整流滤波后电路的总功率 PI= UIII ，输出功率 PO=UOIO, DC-DC 变换器的
10、效率 =PO/PI。电路总的功率损耗主要包括主开关管、升压二极管的动态开关损耗与导通损耗、储能电感的铜耗与磁滞损耗；其它部分的损耗如脉宽调制器的损耗、ARM 及显示屏的损耗、过流保护电路的损耗等。这些方面的功耗增加都会导致电源整体效率下降。所以，电路中采用现有器材中功耗最低的元器件来减少总的损耗，提高电源的整体效率。如开关管采用 MOSFETIRF540、升压二极管使用正向电压低的肖特基二极管 MBR1545，控制电路采用低压型 PWM 控制芯片 TL3842，ARM 系统使用低功耗的 cortex-m3、1602 液晶屏等。5.保护电路设计与参数计算过流保护电路原理图如图四所示：系统的过流保
11、护功能是通过 ARM 实现控制 MOS 管 IRF9540（实际是 2 个并联以减小导通电阻）实现的，当输出的电流不大于 2.5A 时，ARM 的 PE1 口输出高电平，使得跟它相连的三极管 9013 饱和导通，从而使与三极管相连的场效应管 IRF9540 导通，DC DC 变换电路正常运行。当输出的电流大于 2.5A 时，ARM 的 PE1 口输出低电平使与它相连的三极管和场效应管均截止。V in 通过与IRF9540 并联的大功率电阻向 DC-DC 变换器提供负载状态检测电流通路，ARM持续采样输出电流、同时输出过载报警信号。当过流故障消失时，ARM 的 PE1口输出恢复高电平，电路自动恢
12、复到正常工作状态。6.输出电压数字设定及显示电路的设计数字设定是通过键盘输入数值给 ARM cortex-m3 来实现的，本系统中的键盘通过设定 ARM 板上的按键来实现，简单、方便，同时减少了外围电路，从而有助于整体电路效率与可靠性的提高。显示电路采用带字库的 LCD1602 液晶显示器。为了避免占用大量的 I/O 口，采用串行传输模式，其中 E、RS、RS 引脚分别与 B5、B6、B7 口相连，虽然编程难度增大，但是节省了 I/O 资源，避免外扩 I/O 芯片，减少了系统硬件电路的成本。LCD 显示界面简单，易于人机交流。5四、软件设计本设计使用低功耗增强型 ARM Cortex-M3 组
13、成的数字控制单元，可以实现以下四个方面的功能：1) 测试输出电流、电压并显示。ARM 通过内部自带的 12 位 A/D 对输出的电压和电流进行采样，将采集回来的数值在 ARM 内部进行处理后将数据送往液晶屏显示输出电压、输出电流、输出功率等参数。2) 设定输出电压值。通过按键设定电压值送给 ARM，ARM 通过内部自带12 位 D/A 将数字量转换成相应的模拟量送给 TL3842 的电压反馈端，进而控制输出电压实现键控 1V 步进的功能。3) 实现输出电压调节（微调）：当直流输出电压误差较大时，调整输出电压，提高系统稳压性能指标（主要是提高负载调整率） 。4) 当输出电流大于 2.5A 时，A
14、RM 就会启动过流保护功能，通过控制IRF9540 的截止来避免电路损坏。当过流故障排除时，系统自动恢复正常工作状态。五、系统测试1.测试仪器滑动变阻器 7-16 ；万用表 DT890B+、VC9807A+、VC9802A+ ；20MH Z 示波器 DF4326 ；单相交流调压器 R6001。2.测试方法电压调整率的测试方法：在输出电流为 2A 的条件下，调整变压器使隔离变压器的输出在 15V 到 21V 之间取几个值然后测量相应的直流输出电压值，根据公式可求得电压调整率。负载调整率的测试方法：在隔离变压器输出为 18V、输出直流电压 36V，分别测量负载电流为 0 和 2A 所对应的输出电压
15、值。负载调整率就是输出电压的相对变化量与标准电压的比值。DC-DC 变换器效率的测试方法：在隔离变压器输出为 18V, 直流输出电压为36V、输出电流为 2A 的条件下，测得输入电压 Ui 和输入电流 Ii 的直流平均值，效率 (U oIo/UiIi)100 。63.实际测试数据（1）电压调整率的测试(I O=2A)变压器输出电压（ V） 15 18 21直流稳压电路输出电压（V）电压调整率= (2) 负载调整率的测试 (U2=18V、Uo36V)负载电流（A）输出电压（V）负载调整率=(3)DC-DC 变换器效率的测量(U 2=18V、I O=2A、U O=36V)输入电压（ V）输入电流（
16、 A）输出电压（ V）输出电流（ A）效率(4)纹波与噪声电压测试：U 2=18V 、Uo=36V 、Io=2A ，用示波器测量。纹波峰峰值 UOPP=(5)过流保护：当负载电流超过 2.5A 时，输出电压降到约 05V(取决于负载阻抗大小) ；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常工作状态。六、结论本次作品我们方案选择不太好，没有注重基础，一味追求发挥部分，导致后来完成的过程中力不从心，只在理论上做了仿真实验，但实际无法连接电源，不能提供有力的真实数据。我们的作品在仿真时纹波达基本到了题目要求：电压调整率，整体效率，负载过流故障排除后自恢复功能，输出电压键控 1V 步进，电流、电压实时测量及数显功能。 附- 1 -七附件：1. ARM 控制部分核心部件
