《E题开关稳压电源浙江大学吴祥勇陈显辉周卫华》由会员分享，可在线阅读，更多相关《E题开关稳压电源浙江大学吴祥勇陈显辉周卫华（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、.E题开关稳压电源（本科组）作者：吴祥勇、陈显辉、周卫华（浙江大学）赛前辅导教师：阮秉涛文稿整理辅导教师：阮秉涛摘要对于升压型的DC-DC变换电路，我们采用最为简单可靠的Boost拓扑结构，控制芯片采用峰值电流控制型脉宽调制芯片UC3842。该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，输出电压值稳定，输出功率可达100W以上。UC3842的峰值电流控制可以对开关管进行过电流保护，而输出电路的过电流保护则通过继电器来实现。AbstractFortheDC-DCtransformcircuitofthevoltagevalueincrease,wechoosetheeasiestandreliableB
2、oostcircuitasthemaintopologystructure.ThecontrolchipofthecircuitisUC3842,amodulatewidthofpulsechipbasedonthecurrentpeakcontrol.Thiscircuithasalotofmeritsadvantages,suchasfewerexternalcomponents,forexample,theexternalcomponentsisfewer,thecontrolofthecircuitisagilityincontrol,lowcost,andagoodstability
3、,theoutputofthepowercanreachupto100Wormore.TheUC3842speakcurrentmodulationwidthofthepulsecanrealizetheswitchtubescurrentprotection.Meanwhile,theoutputcircuitsovercurrentprotectionisachievedbyrelay.一方案论证1.DC-DC主回路的拓扑结构方案一：Boost电路。Boost电路是一种主要的升压型DC-DC变换拓扑，其拓扑结构简单，控制方便，输出功率大，具有良好的输出特性。方案二：Buck-Boost电路
4、。它也可以实现升压功能，但是输出的电压是负值，另外它的应用电路稍显复杂，因为输入电流、输出电流是脉动的，为了平波要加滤波器。其他拓扑形式还有CUK、ZETA、SEPIC等均可实现升压功能，但是在实际应用中电路均比较复杂，控制困难，不便于短时间内完成系统设计。综上所述，采用Boost电路作为主回路的拓扑结构是一种比较合理的方案。本系统中的Boost电路主拓扑结构如图1所示。图1Boost电路主拓扑结构输出电压与电源电压（直流母线端电压）的关系为上式中，为输出电压，为直流母线端输入电压，为MOS管导通比。2.控制回路方案的选择方案一：运用函数发生器8038产生三角波，与MCU的ADC输出进行比较，
5、可得占空比可调的PWM波，MCU的ADC输出来自于基于输出电压反馈的PI调节运算结果。输出的PWM波经过2103后驱动MOS管。该系统由于用软件实现PI调节，因此，要用到高速单片机，提高了系统成本和软件编写的难度。方案二：采用UC3842作为主回路的控制芯片。UC3842是一种峰值电流控制型脉宽调制芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计中。根据UC3842的功能特点，结合Boost电路拓扑结构，完全可设计成电流控制型的升压DC-DC电路。该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，输出功率容易做到100W以上，具有其他专用芯片难以实现的功能。另外，给定电压的稳定主要由硬件电路完成，实时
6、性好，可靠性高，不需要用到高速单片机，也降低了软件编写的难度。方案一器件价格较贵，电路稍显复杂，性价比不高。方案二器件少，外围电路简单，价格便宜，软件编写简单，且输出功率能满足要求，所以采用方案二。3.变换器效率指标的实现方案变换器的效率是一个重要的指标，为了降低损耗，提高效率，系统中采用了以下一些实现方案：（1）控制电路供电电源的实现方法控制电路需要有+5V、+12V和-12V的电源。其产生的方式主要有两种，一种是利用线性稳压电路，核心芯片采用7805、7812和7912等；另外一种是利用基于开关电源技术的控制芯片，如2576等。前者由于损耗比较大，故在本电路设计中采用后者。（2）选择合适的
7、开关频率开关频率和MOS管的功耗有很大的关系，频率越高，产生的损耗越大。较低的电路工作频率可以降低MOS管的开关损耗，但输出电压脉动会增大，因此应在允许的频率范围内选择较低的频率。合适的开关频率大致处于20KHz与60KHz之间，本系统选取开关频率为30KHz，可以降低损耗。（3）低功耗元器件的选取系统总的损耗中还包括各种元件的功耗。只要在元件选取时注意采用低功耗器件，则这一部分损耗对系统效率的影响可以减小到最小。例如，在显示部分，如果采用LED数码管显示，则功耗比较大。如果采用功耗比较小的字符型液晶显示器（如EDM1602）代替LED数码管显示器，则功耗可下降至0.07W。另外，由于主回路控
8、制器件MOS管工作时流过的电流比较大，所以选取导通电阻比较小的MOS管将有利于降低损耗。例如IRF540的导通电阻仅为0.04，在2A工作电流下仅产生0.16W的通态损耗。二.电路设计与参数的计算1.总体的电路设计框图51单片机键盘液晶显示DC-DC变换电路采样过流保护控制主电路图2系统总体电路框图如图2所示，系统的DC-DC变换是由硬件完成的，软件控制并不复杂，单片机主要完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果显示等功能。因此，MCU使用89C51即可满足要求，D/A转换器可采用8位的DAC0832，A/D转换器可采用8位的ADC0809。2.Boost电路参数的计算（1）电感值的计算：按
9、照题目的设计要求，可在30V到36V变化，输入交流电压为1521VAC，所以经过整流滤波后得到的直流母线电压为，取，导通比在0.160.5之间变化，则当的时候，可求得：由上式可得，要使系统电流工作在连续状态，电感值至少大于。本系统选择的电感的数值为，并且通过选用铁芯使得电感在流过6A电流的时候铁芯不饱和，这样有利于减少主电路电感上的电流纹波。(2)电容值的计算：电容的大小决定负载电压的波动程度，因此负载的电压波动可作为选择电容的依据。在MOS管导通期间，导通时间为T，负载电流靠电容放电得以维持。设在整个MOS管导通期间内电压变化U，并假设负载电流I在此期间恒定，则电容电压亦即负载电压下降了根据
10、上式可确定电容的数值，U与I和均有关，考虑在最严重的情况下仍能保证电压的波动符合要求，电容的容量应满足上式中，为输出电流的最大值。通过估算，电容的取值为2200F。此时计算得到的0.011V，可以满足指标要求。（3）MOS管型号的选择该电路中，MOS管要承受的最大电压值为25.2V,流过的电流最大值为5A，而且，开关整流电路效率的高低主要取决于调整管的调整效率，而调整效率的高低取决于调整管功率损耗的大小。我们考虑的型号是IRF640和IRF540，IRF640承受的最大电压值为200V，承受的最大的电流值为10A。IRF540承受的最大电压是100V，电流的最大值是23A。经过实际测试，发现它
11、们都能够满足要求，但是IRF540的功率损耗更小，所以采用IRF540作为实际电路中应用的MOS管。（4）二极管型号的选择二极管承受的最大工作电压二极管承受最大工作电流：二极管工作的平均电流。本系统采用的二极管型号是MUR860，承受的最大电压值是600V，最大的电流值是8A。3.控制电路设计与参数计算（1）控制电路设计控制电路中的主芯片是UC8342，其具体连接图见图3所示：图3UC3842外围电路芯片的振荡频率估算公式为：上式中，取10K，取4700uF，理论计算出来的频率值为37KHz，但由于电容值不准确，实际值只有30KHz左右。（2）效率的分析与计算在Boost变换电路中，MOS管的
12、开关损耗不可忽视。MOS管开通时的损耗主要包括：MOS管开通的时候开关两端等效电容(包括输出电容和缓冲电路电容)放电形成容性开通损耗，以及MOS管从截止到完全开通渡过放大区时形成的损耗。而MOS管关断时的损耗产生的原因多种多样，但主要表现为：关断过程电流下降的延迟和电压的过快上升，从而形成电压电流的交叠，产生很大的功率损耗。适当降低的电路工作频率可以降低MOS管的开关损耗，因此应在允许的频率范围内选择较低的频率，可以提高系统效率。合适的开关频率大致处于20KHz与60KHz之间，本系统选取开关频率为30KHz。假设MOS管的开通和关断的重叠时间相同，均为，则一个开关周期内MOS管的平均损耗为：
13、其中为开关周期，为开关频率，为MOS管关断期间加在它两端的电压，为晶体管导通期间流过的电流。由上式可知，MOS管的开通关断损耗与开关频率成正比，适当降低开关频率有助于降低系统功耗。在输出电压30V，输出电流2A时，认为与3842振荡器的死区时间相等，即时，此时，对于效率的影响是3.5%。由此可见，MOS管的开关损耗对系统效率的影响较大。4.过电流保护的实现方式该电路中有两处涉及到过电流保护的环节，一个是流过MOS管的电流最大值，这与MOS管允许的最大电流和电感饱和时的最大电流有关；另外一个是设计要求的输出电流保护点。（1）MOS管最大电流保护通过在MOS管的源极接一小于0.1的电阻，然后接参考
14、地，可以解决这一问题。同时该电阻也可以作为UC3842峰值电流检测的输入信号的采样电阻。注意该电阻如果大小不合适，会影响系统输出的最大功率，实际调试如果出现这一情况，应适当减小该电阻值。（2）输出电流保护设计要求在输出电流大于2.5A时主电路能断开起到保护作用，因此在直流母线中加一继电器来解决这一问题。继电器在动作时，由于电路中电感的存在，会产生很高感应电压，并将MOS管击穿。因此，在继电器之后再加一个1000uF电容（如图1所示），以避免产生高压击穿MOS管。另外，考虑到软件的可靠性和实时性问题，对于此处电流保护，也设置了硬件保护环节。采用软硬件双重保护的方式，既可以实现硬件保护可靠性高的特
15、点，也有软件保护的灵活性。单片机的P3.5作为控制口，与硬件保护信号相与后作为继电器驱动电路的控制信号，当P3.5输出低电平或硬件保护电路动作时，继电器关断，同时二极管亮，显示报警信号。输出过流保护电路如图4所示。图4输出电流过流保护硬件框图在过流保护电路动作后，系统可一直保持报警状态。当系统故障排除以后，用户可通过键盘解除报警信号，此时软件自动解除继电器动作信号和报警声讯，并使系统进入正常工作状态。5.控制系统供电电源电路在DC-DC变换器系统中，控制电路供电电源损耗是对系统效率产生影响的一个重要因素。采用LM2576产生控制电路的电源，稳压源的效率约为77%，而采用线性电源，例如用7805，则5V电源的效率会在33以下。因此，选择恰当的电源产生模式，可以大幅减小系统功耗。本系统通过LM2576产生+5V、+12V的电压给控制系统供电，-12V的电压由另外一块基于开关电源技术的芯片直接产生。LM2576-5产生5V和+12V电源的电路分别如图5和图6所示。图52576产生5V电源的电路图图62576产生+12V电源的电路图三软件的设计与流程图在系统中，软件的主要作用是完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果显示等功能，设计相对简单。软件的主程序流程图和中断程序流程图如图7所示。图7主程序流程图及中断程序流程图四测试方法与数据
