《2015全国电子设计大赛开关电源类指导》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2015全国电子设计大赛开关电源类指导（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于07年开关电源题目分析开关电源就题论题Page 2LOGO题目一、任务务设计设计 并制作如图图1所示的开关稳压电稳压电 源。Page 3LOGO题目二、要求 在电电阻负载负载 条件下，使电电源满满足下述要求： 1基本要求 输输出电压电压 UO可调调范围围：30V36V； 最大输输出电电流IOmax：2A； U2从15V变变到21V时时，电压调电压调 整率SU2%(IO=2A) IO从0变变到2A时时，负载调负载调 整率SI5%(U2=18V) 输输出噪声纹纹波电压电压 峰-峰值值UOPP1V（ U2=18V,UO=36V,IO=2A）； DC-DC变换变换 器的效率70%（U2=18V,U
2、O=36V,IO=2A）； 具有过过流保护护功能，动动作电电流IO=2.50.2APage 4LOGO题目2发挥发挥 部分进进一步提高电压调电压调 整率，使SU0.2%（IO=2A） ；进进一步提高负载调负载调 整率，使SI0.5%（U2=18V） ；进进一步提高效率，使85%（ U2=18V,UO=36V,IO=2A）排除过过流故障后，电电源能自动动恢复为为正常状态态；能对输对输 出电压进电压进 行键盘设键盘设 定和步进调进调 整，步进值进值 1V，同时时具有输输出电压电压 、电电流的测测量和数字显显示 功能。其他。Page 5LOGO题目三、说说明 DC-DC变换变换 器不允许许使用成品模
3、块块，但可使用开关电电 源控制芯片。 U2可通过过交流调压调压 器改变变U1来调调整。DC-DC变换变换 器 （含控制电电路）只能由UIN端口供电电，不得另加辅辅助 电电源。 本题题中的输输出噪声纹纹波电压电压 是指输输出电压电压 中的所有 非直流成分，要求用带宽带宽 不小于20MHz模拟拟示波器（ AC耦合、扫扫描速度20ms/div）测测量UOPP。 本题题中电压调电压调 整率SU指U2在指定范围围内变变化时时，输输 出电压电压 UO的变变化率；负载调负载调 整率SI指IO在指定范围围 内变变化时时，输输出电压电压 UO的变变化率；DC-DC变换变换 器效 率=PO/ PIN，其中POUO
4、IO，PINUINIIN。Page 6LOGO题目 电电源在最大输输出功率下应应能连续连续 安全工作足够长够长 的时间时间 （测试测试 期间间，不能出现过热现过热 等故障）。 制作时应时应 考虑虑方便测试测试 ，合理设设置测试测试 点. 设计报设计报 告正文中应应包括系统总统总 体框图图、核心电电路 原理图图、主要流程图图、主要的测试结测试结 果。完整的 电电路原理图图、重要的源程序和完整的测试结测试结 果用 附件给给出。Page 7LOGO评分标准Page 8LOGO评分标准Page 9LOGO评分标准Page 10LOGO题目分析n 何为电为电 源？答： 1.电源是功率系统，是其它系统最基
5、本的输入，有电力系统的地方就有电源。2.按照其它系统的要求，电源可以分为一下几大类：线性电源，开关（DC-DC)电源 ，逆变（DC-AC）电源，“顺”变（AC-DC）电源。这些当中开关电源和逆变电源是难 点，也是常考点。n 电电源一般有哪些指标标？答：直流电源：输出功率，效率，精度，交流纹波，负载调整率，电压调整率。交流电源：输出功率，效率，精度，总谐波失真，频率稳定性，幅值稳定性。n 电电源难难不难难？答：相比于仪器和控制，电源重在实践，但是不轻于理论。要敢于尝试，创新。要有自己的想法和积累的经验。Page 11LOGO题目分析n要求:输输出电压电压 UO可调调范围围：30V36V；最大输输
6、出电电流IOmax：2A； 保护护功能nU2=1521V UIN=(1.2)U2=18-26V升压压1.152倍升压电路Page 12LOGO题目分析系统统方案设计时设计时 最简单简单 的方案才是最稳稳定的，我们们不计计成本，用 最好的芯片力求换换取最简单简单 的方案。 比如我们们在测测量本题题的30至36V输输出电压时电压时 ，简单简单 的分压压跟随测测 量进进入AD的电压电压 是3至3.5V左右，与AD的满满量程相差甚远远，因此 有人考虑虑采用线线性运算电电路，将30至36V转换转换 到0至5V测测量，这样这样 甚好，但是电电路相对对就复杂杂了，我们们可以用更准确的AD（如 ADS1118
7、）来测测量，问题问题 迎刃而解。 所以本题题我们们不考虑虑什么反激电电路，半桥电桥电 路等，我们们就用最简简 单单的BOOST电电路：Page 13LOGO题目分析单单管反激式： 半桥电桥电 路： Page 14LOGOBOOST拓扑分析开关导导通电电感电电流和电电感两端电压满电压满 足这样这样 的关系：开关关断电电感电电流和电电感两端电压满电压满 足这样这样 的关系：Page 15LOGOBOOST拓扑分析整个周期电电感电电流波形是这样这样 的：Page 16LOGOBOOST拓扑分析以上是BOOST电电路工作的两种状态态，那么BOOST电电路输输出与输输入有什 么关系呢，有很多方法可以推倒
8、出来，我们们不妨以电电感为对为对 象，由能量 守恒可知电电感在开关导导通时时充的能量与开关关断时释时释 放的能量相等。 设设开关导导通时间为时间为 Ton，关断时间为时间为 Toff，IL为为整个工作周期电电感的平 均电电流。 开关导导通时电时电 感积积累的能量为为 Pin=Uin*IL*Ton。 开关关断时电时电 感释释放的能量为为Pout=（Uo-Uin）*IL*Toff。 由于Pin=Pout可得:上式左边边便是开关PWM占空比D。需要注意的是这这个结结果是电电感电电流始终终不为为零推倒的，实际实际 上在不加 负载时电负载时电 感上的电电流不是连续连续 的，但是仍然可以借助于能量守恒来分
9、 析，请请同学们们自己看书书。Page 17LOGOBOOST拓扑分析在上述分析中我们们得到BOOST拓扑在电电感电电流连续连续 的情况下输输入 输输出电压电压 与开关占空比的关系：那么是不是我们给们给 定了一个占空比，就能得到一个稳稳定的输输出了 吗吗，答案是不可能的，其一输输入电压电压 Vin在不断变变化，其二负载负载 的变变化也会让电让电 感电电流进进入不连续连续 工作状态态，因此我们们需要反 馈馈，当输输出电压电压 小于期望值时值时 我们们将开关占空比增加，同理，大 于时时减小占空比。反馈馈的方式有两种，一种是最常用的硬件反馈馈，一种是软软件反馈馈 。我们们先来讨论讨论 硬件反馈馈。P
10、age 18LOGOBOOST电路分析经经典开关电电源控制芯片UC3842是硬件反馈馈很常用的器件，以下是 UC3842在BOOST电电路中的应应用：Page 19LOGOBOOST电路分析软软件反馈则馈则 是指单单片机或者FPGA用AD采集BOOST电电路输输出电压电压 然后与设设定电压电压 相比较较来改变变开关PWM占空比，继继而调节输调节输 出。 软软件反馈馈相比于硬件反馈馈更显显灵活，是后期常用的方式，硬件反馈馈 是基础础，软软件反馈馈是升华华。AD采 样样Page 20LOGOBOOST参数设计电感前面介绍绍了BOOST电电路基本组组成和控制策略，下面将要介绍绍 BOOST电电路内部
11、具体参数的设计设计 ，首先是电电感的设计设计 。 设计电设计电 感的前提是要知道流过电过电 感的最大电电流平均值值，就是在满载满载 的情况下，这这里不加证证明的给给出电电感电电流公式（精通开关电电源设计设计 P38页页）：其中Io是输输出电电流，D是开关管最大占空比。之前说过电说过电 感电电流波形 是这样这样 的：Page 21LOGOBOOST参数设计电感我们们建立这样这样 一个原则则：设设开关导导通时间为时间为 Ton，则则： ,f为为开关频频率。导导通时电时电 感电电流上升斜率为为：那么：从而可以得出电电感：对对于本题题Uin（min)=18V，Uo（max）=36V，Io=2.5A，我
12、们们以3A计计 算，f取50KHz，从而可以算出电电感值为值为 100uH。Page 22LOGOBOOST参数设计电感仅仅仅仅 算出电电感值值不够够，我们还们还 要确定用什么样样的磁芯和多少线线径的铜线铜线 绕绕制，在这这之前，我们们要简单说说电简单说说电 感的一个重要特性磁饱饱和。 具体定义义大家百度一下，用最直接的解释释就是电电感感值值随着流过电过电 感电电流 的变变大而变变小，甚至完全消失，电电感成为为了一根导线导线 ，引发发短路！ 我们带们带 着这这个特性来尝试设计尝试设计 它。 首先我们们要知道有哪些常用的磁芯：从大到小：77191A777254A777930A7 分别别常用于80
13、200W，2080W， 20W以下。本题题要求输输出36V，2A， 最大功率72W，所以尝试尝试 使用 77254A7。Page 23LOGOBOOST参数设计电感选选定磁芯后电电感圈数如何确定呢，进进入美磁官网，找到77254A7的PDF 文档，打开看到 AL=168。电电感L=AL*N2。计计算出圈数N=24 。是不是这样这样 就完成了电电感的设计设计 呢？不是，之前我们说过电们说过电 感感值值会随 着电电流增大而变变小，我们们要求设计设计 出来的电电感在最大电电流时时其值值下降不 低于电电流为为0时时的80%。看PDF文档最下面有个图图表：Page 24LOGOBOOST参数设计电感上表
14、横坐标标是安匝（电电流乘匝数），纵纵坐标标是AL，随着安匝数的上升， AL下降，也就意味着电电感值值在下降，本题题中IL=Io/(1-D)=6A。匝数之前 算过为过为 24匝，安匝=144。查查看上表AL下降略低于80%，因为设计为设计 有裕 量（题题目要求2A，我们们以3A计计算的），所以本设计设计 没有太大问题问题 。 磁芯圈数都设计设计 好了，最后一步是漆包线线线线 径的确定，我们们提供一个原 则则，一般导线导线 截面积单积单 位cm2上流过过的电电流为为400A，本题题IL=6A，可 得导线导线 截面积为积为 0.015cm2，实验实验 室直径0.8mm的铜线铜线 截面积为积为 0.0
15、05cm2，所以三股（两根勉强也可以）一并绕绕制。绕线绕线 要整齐齐,否则则会影响性能。Page 25LOGOBOOST参数设计其他器件n 对于续流二极管，要注意流过最大电流限制和反向承受电压限制，满 足这两个基本条件下我们希望二极管反向恢复速度越快越好，本题中 二极管的电流就是输出电流Io=3A，反向最大电压是36V，所以采用 两个SR360（3A，60V）并联使用。n 对于滤波电容，我们采用大的电解电容和瓷片电容混合滤波，电解电 容滤低频，瓷片电容滤高频。n 对于开关管，选用开关速度快的MOSFET场效应管，要注意它的耐压 值足够大和导通电阻尽量小，本题IRF540N是比较好的选择。n 电
16、流取样电阻的选取不能只看功率够不够，而是要满足精度的问题， 当电路工作时，电阻难免发热，阻值会发生变化，这样测量的电流就 不准了，而康铜丝电阻不仅功率大，温漂也相当小，因此我们选取它 作为电流采样电阻。Page 26LOGO系统整体结构整流滤滤 波升压电压电 路电压电电压电 流取样样 电电路控制器显显示和按键键ADDAPage 27LOGO各部分电路整流滤滤波采用以下电电路：保险丝险丝 必须须使用，本题题8A保险丝险丝 足够够。滤滤波电电容用的是大的电电解电电容 ，注意耐压值压值 至少是滤滤波后电压电压 的2倍，正负负极性不要弄反。整流桥桥建 议议使用成品模块块，也可以使用二极管搭建（注意二极管的耐压值压值 和电电流 限制）。Page 28LOGO各部分电路BOOST主电电路采用
