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1、开关稳压电源（ E 题）摘要本系统以Boost升压斩波电路为核心,以 MSP430单片机为主控制器和PWM 信号发生器 ,根据反馈信号对 PWM 信号做出调整 ,进行可靠地闭环控制 ,从而实现稳压输出 .系统输出直流电压30V 36V 可调 ,可以通过键盘设定和步进调整 ,最大输出电流达到 2A, 电压调整率和负载调整率低,DC-DC 变换器地效率达到 93.97%. 能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示.系统特色： 1 ）输出电压反馈采用“同步采样”方式,能有效避免电压尖峰对信号检测地影响 .2 ）采用多种有效措施降低系统地电磁干扰（EMI ）,增强电磁兼容性（ EMC ）.3）具
2、有完善、可靠地保护功能,如：过流保护、反接保护、欠压保护、过温保护、防开机“浪涌”电流保护等,保证了系统地可靠性 .1 方案论证1.1DC-DC主回路拓扑方案一 间接直流变流电路： 结构如图 1-1 所示 , 可以实现输出端与输入端地隔离 , 适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于 1 地情形 , 但由于采用多次变换 , 电路中地损耗较大 , 效率较低 , 而且结构较为复杂 .图 1-1间接直流变流电路方案二 Boost 升压斩波电路： 拓扑结构如图 1-2 所示 . 开关地开通和关断受外部 PWM信号控制 , 电感 L 将交替地存储和释放能量 , 电感 L 储能后使电压泵升 , 而电容
3、C可将输出电压保持住 , 输出电压与输入电压地关系为 UO=(ton+toff), 通过改变 PWM控制信号地占空比可以相应实现输出电压地变化 . 该电路采取直接直流变流地方式实现升压 , 电路结构较为简单 , 损耗较小 , 效率较高 .LVDECUORL图 1-2Boost 升压斩波电路拓扑结构1综合比较 ,我们选择方案二 .1.2控制方法及实现方案方案一 利用 PWM专用芯片产生 PWM控制信号 . 此法较易实现 , 工作较稳定 , 但不易实现输出电压地键盘设定和步进调整 .方案二 利用单片机产生 PWM控制信号 . 让单片机根据反馈信号对 PWM信号做出相应调整以实现稳压输出 . 这种方
4、案实现起来较为灵活 , 可以通过调试针对本身系统做出配套地优化 . 但是系统调试比较复杂 .在这里我们选择方案二 .1.3系统总体框图隔离ACAC变 压 器整 流DCBoost滤 波升压电路输出DC DC 负载滤 波键盘保护电路MCU主控制器显示电路图 1-3系统总体框图1.4提高效率地方法及实现方案1） Boost 升压斩波电路中开关管地选取 ：电力晶体管（ GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（ Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高 . 从工作频率和降低损耗地角度考虑 , 选择电力场效应管作为开关管 .2）选择合适地开关工作频率：为降低开关损耗 , 应尽量降
5、低工作频率；为避免产生噪声 , 工作频率不应在音频内 . 综合考虑后 , 我们把开关频率设定为20kHz.3） Boost升压电路中二极管地选取：开关电源对于二极管地开关速度要求较高,可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择 . 与快速恢复二极管相比 , 肖特基二极管具有正向压降很小、 恢复时间更短地优点 , 但反向耐压较低 , 多用于低压场合 . 考虑到降低损耗和低压应用地实际 , 选择肖特基二极管 .4）控制电路及保护电路地措施：控制电路采取超低功耗单片机MSP430,其工作电流仅 280A；显示采取低功耗 LCD；控制及保护电路地电源采取了降低功耗地方式 , 具体实现见附录图 2, 单
6、片机由低功耗稳压芯片 HT7133单独供电 .2 电路设计与参数计算2.1 Boost 升压电路器件地选择及参数计算Boost 升压电路包括驱动电路和Boost 升压基本电路 , 如图 2-1 所示 .2图 2-1Boost 升压电路(a)PWM 驱动电路2.1.1 开关场效应（ b）Boost 升压基本电路管地选择选择导通电阻小地 IRF540 作为开关管 , 其导通电阻仅为 77m （ VGS=10V, I D=17A）.IRF540 击穿电压 VDSS为 55V , 漏极电流最大值为 28A（VGS=10 V, 25C）,允许最大管耗 PCM可达 50W,完全满足电路要求 .PWM驱动电
7、路器件地选择单片机 I/O 口输出电压较低、驱动能力不强 , 我们使用专用驱动芯片 IR2302. 其导通上升时间和关断下降时间分别为 130 ns 和 50 ns, 可以实现电力场效应管地高速开通和关断 .IR2302 还具有欠压保护功能 .肖特基二极管地选择选择 ESAD85M-009型肖特基二极管 , 其导通压降小 , 通过 1 A 电流时仅为 0.35V, 并且恢复时间短 . 实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联 .电感地参数计算21） 电感值地计算：L BU O2U INU INmI O fU O其中 ,m 是脉动电流与平均电流之比取为0.25, 开关频率 f=20 kHz
8、, 输出电压为 36V时,L B=527.48 H,取 530H.2） 电感线径地计算：最大电流2I L 为 2.5A, 电流密度 J 取 4 A/mm, 线径为 d, 则由d2I L 得 d=0.892 mm,工作频率为 20kHz, 需考虑趋肤效应 , 制作中采取J * （）2多线并绕方式 , 既不过流使用 , 又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积地减小.2.1.5 电容地参数计算I（OUOU IN）CBU OU O f其中 ,UO 为负载电压变化量 , 取 20 mV,f=20kHz,UO=36V时,C B=1465 F, 取为2000F, 实际电路中用多只电容并联实现 , 减小电容地串联
9、等效电阻（ ESR） , 起到减小输出电压纹波地作用 ,更好地实现稳压 .2.2输出滤波电路地设计与参数计算（见附录）2.3 控制电路地设计与参数计算单片机根据电压地设定值和电压反馈信号调整 PWM控制信号地占空比 , 实现稳压输出 , 同时 , 单片机与采样电路相结合 , 将为系统提供过流保护、过热保护、过压保护等措施 , 并实现输出电压、输出电流和输入电压地测量和显示 .3PWM信号占空比 D1U INU O当 U2=15V,UO=36V时 ,UIN =1.2*U 2-2V=16V, 最大值 DMAX=0.556 ；当 U2=21V,UO=30V时 ,UIN =1.4*U 2-2V=27.
10、4V, 最小值 DMIN=0.087系统对于单片机 A/D 采样精度地要求： 题目中最高地精度要求为 0.2%, 欲达到这一精度 ,A/D 精度要达到 1/500, 即至少为 9 位 A/D,MP430内置 A/D 为 12 位,只要合理设定测量范围 , 完全可以达到题目地精度要求 .2.4保护电路地设计与参数计算过流保护(共三级 )1） 输入过流保护在直流输入端串联一支保险丝（250V,5A）, 从而实现过流保护 .2） 输出过流保护输出端串接电流采样电阻 RTEST2, 材料选用温漂小地康铜丝 . 电压信号需放大后送给单片机进行 A/D 采样 . 过流故障解除后 , 系统将自动恢复正常供电
11、状态 .3） 逐波过流保护逐波过流保护在每个开关周期内对电流进行检测 , 过流时强行关断 , 防止场效应管烧坏 . 具体实现电路见附录图 5（a）. 考虑到 MOS管开通时地尖锋电流可能使逐波过流保护电路误动作 , 加入如附录图 5（b）所示电路 .反接保护反接保护功能由二极管和保险丝实现,电路如附录图 3（a）.过热保护通过热敏电阻检测场效应管地温度,温度过高时关断场效应管.防开机“浪涌”保护用 NTC 电阻实现了对开机浪涌电流地抑制,见附录图 3（a）.场效应管欠压保护利用 IR2302 地欠压保护功能 ,对其电源电压进行检测 ,使场效应管严格工作在非饱和区或截止区 ,防止场效应管进入饱和
12、区而损坏 .2.5数字设定及显示电路地设计分别通过键盘和 LCD实现数字设定和显示 . 键盘用来设定和调整输出电压；输出电压、输出电流和输入电压地量值通过 LCD显示 . 电路接口见附录 .2.6 效率地分析及计算（U2=18V,输出电压 UO=36V,输出电流 I O=2A）DC-DC电路输入电压 UIN=1.2*U2信号占空比D1-UINO输入电压有效值 IIN-2V=19.6V,/U =0.456,O（1-D）=3.676A,输出功率OOO=I /P=U*I=72 W下面计算电路中地损耗P损耗：1） Boost 电路中电感地损耗：PDCR 12I IN DCR1=0.68 W其中 ,DC
13、R 为电感地直流电阻 , 取为 50 m , 代入可得 P1DCR12） Boost 电路中开关管地损耗开关损耗PSW=0.5*U IN *IIN （t r +t f ）*f其中 ,t r 是开关上升时间 , 为 190ns,t f 是开关下降时间 , 为 110ns,f是开关频4率 , 为 20 kHz, 代入可得 P SW=0.2160 W导通损耗PC21.3 RSNS）D（I IN（RDSON , 代入得 P =1.23 W其中 , 导通电阻 R=77 m, 电流感应电阻 R 取 0.1DSONSNSC3） 肖特基二极管地损耗流过二极管地电流值与输出电流 I 0 相等 , 则二极管损耗
