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1、开关稳压电源（开关稳压电源（E 题）题）摘摘 要要本系统的设计电路由 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组成。AC-DC 变换电路：由自耦变压器、隔离 变压器、桥式整流堆、和滤波电容等元件组成，可以在隔离变压器副边输出 1521的电压，滤波后给 DC-DC 提供直流电压。DC-DC 变换电路:采用 Boost 型拓扑结构，含有单片机、TL494 固定频率脉宽调制电路,快速场效应管、电感 等。数字设定与显示电路与保护和测量电路包括单片机、LCD、44 键盘和 D/A 等组成。由单片机通过 A/D 转换测量输出电压和电流，控制 TL494 的输
2、出脉宽。 实现输出电压 3036可调、过流保护、输出电流、输出电压和输出功率的显 示等功能。 【关键词】拓扑 脉宽调制 场效应管 调整率 过流保护1方案论证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
3、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
4、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。 以过验证，本设计的系统原理框图如图 1-1：输入给定A
5、Tmega16DC/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 89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电路设计电路设计2.1 主回路电路原理图主回路电路原理图 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：Q3L1D10.2R7+152200uFC2 100V51K
6、R910KR10103C5 104C6 2200uFC3 100VC图 2-1 Boost 原理图2.2 控制电路设计与参数计算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111基准电压调节6541231516147121011
7、9813VccVccRTCT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VREF14DTC4IN1-2RT6 CT5GND7E19IN1+1CM PEN3VCC12C18 IN2-15CNTLO13C211IN2+16E210U1TL494CN +15+1550K R11000pFC110KR21MR33KR43KR5AAQ1 9013Q2 9012Q3 10R6L1D10.2R7+15D2C+15 +15图 2-3 TL494 应用原
8、理图如图 2-3 所示本设计 fosc=43KHz,根据得 fos=1.1(C1R1)TT1.1fosc=RC 得 R1=43K2.3 效率的分析及计算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：01001
9、00OOinININPU I PUI 2.4 保护电路设计与参数计算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,0.5 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电路的设计数字设定及测量显示部分由 AVR ATMEGA16 单片机、44 键盘和 12864 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
10、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
11、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系统测试系统测试3.1 测试方法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 测试主要数据测试主要数据4.3.1 输出电压可调范围(见表 41)表 4-1设定值实际
12、输出值30V30.01V31V31.00V32V31.99V33V33.00V34V33.99V35v35.00V36V36.01V3.3.2 输出最大电流理论值：2A; 实测值: 2A3.3.3 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0.23.3.4 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
13、率0.53.3.5 DC-DC 变换器的效率当 UIN=24V IIN=3.66A 时 U2=18V IO=2A UO=36V效率 =81.90100100OOinININPU I PUI 4测试结果分析总结测试结果分析总结通过测试数据所示，本设计基本完成了竞赛题目的要求，有些指标超过了 发挥部分的一些要求。但也有些指标没有达到，如效率还没达到发挥部分的最 高要求。效率没有达到是因为场效应管发热、变压器等器件参数不精确而造成 的。可以加强场效应管的散热装置，及适当选用电感、变压器等元件来提高 DC-DC 的效率。本设计具有结构简单、操作界面及显示界面友好、相位稳定度 高等特点。附录：附录：测量数据测量数据） 输出电压可调范围 设定值实际输出值30V30.01V31V31.00V32V31.99V33V33.00V34V33.99V35v35.00V36V36.01V）电压调整率的测试 2(V)o(V)Io(A)理论输出电压1535.962361635.932361735.932361835.932361935.942362035.942362135.95236
