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1、小型单相交流稳压电源设计与总结报告作者：阙滨城 微电子科协摘 要：本作品是基于D类放大的小型单相交流稳压电源，输出电压024V2A, 2A过流 保护，频率10Hz-500Hz可调，带电压、频率显示，效率超过80%。该系统的AC-DC部分是采 用倍压整流，经过串联式稳压电路实现双25V的稳定直流输出，该部分效率高于93%。，后级 采用Philips公司的单片D类放大器TDA8920作为功率输出级，实现DC-AC的高效变换。系统 采用AD公司的ADuc845用于信号源及信号采集：通过片内DAC及外部二阶低通滤波器产生高 质量的正弦波，在功率输出端经整流滤波后进行采样，实现输出电压实时监测。同时该电
2、路的 过流保护装置（2A）, 方面保护了该系统的功率级，另一方面也保护了外部其它系统。关键词： D 类放大， AC-DC， DC-AC， ADuc845abstract:th i s system is a minitype regulated sigle-phase AC power source based on the class-D amplify principle,witha outputvoltagerange of 024V2Aand output frequencyadjustalbefrom10Hzto500Hz,possessedovercurrentshutdownfu
3、nctionand voltage-frequency display fuction, having efficiency over 80%. The AD to DC transform isachievedbycapacitorcouplingtooutputtwogroupsofACsourceandthenrectified, then use the boost switch circuit to achieve highly steady output voltage of 25V*2, theefficiencyofthiscircuitisover93%.Thesiglech
4、ipTDA8920producedbyphilips isusedasthepowerstagetocarryouthighly-efficientDCtoACtransforming.ADuc845 is used to generate a frequency-variable sin-signal and sample feedback signal to ac c omp l i s h rea l t i me vo l tage mon i tor i ng. In add i t i on, the overc urrent s hutdown func i on can pro
5、tect the whole system.Keyword: class-D amplify principle, AC- DC, DC- AC, ADuc845目录小型单相交流稳压电源设计与总结报告 - 1 -目录 - 2 -1.系统设计 - 3 -1.1设计要求 - 3 -1.2 方案论证与比较 - 3 -1.2.1功率放大器方案论证 - 3 -1.2.2电源解决方案论证 - 5 -1.2.3 电压、频率显示方案论证 - 7 -1.2.4 过流保护方案论证 - 7 -2 单元电路设计 - 8 -2.1系统框图 - 8 -2.2D类放大器元器件参数设计-8 -2.3AC-DC 电源设计-10
6、-2.4单片机系统设计 -11-2.4.1单片机电源设计 -11-2.4.2单片机基本电路设计 -12-2.4.3显示电路设计 -12-2.4.4低通滤波器设计 -13-2.5过流保护电路设计 -14-3 程序设计 -14-3.1.程序设计思路： -14-3.2程序流程图： -14-3.2.1DAC输出程序流程图-14 -3.2.2ADC程序流程图： -15 -3.2.3定时器0流程图： -15-3.2.4 主程序流程图 -16-3.2.5 外部中断的程序流程图 -17-4 测试结果 -17-4. 1模块单独调试 -17-4.2整体全面调试 -18-4.2.1输出电压范围测试 -18-4.2.
7、2输入电压变化时输出电压稳定度测试-18-4.2.3外加负载变化时输出电压稳定度测试-18-4.2.4波形失真度、效率及输出功率测试-19-4.2.5过流保护测试 -19-4.2.6频率稳定性测试 -20-5总结 -20-参考文献 -21-备注： -21 -1.系统设计1.1 设计要求基本要求：（1）输入电压:22V-26V2）输入电源频率： 50Hz5Hz3）最大输出功率: 48W4）稳压精度:5%（5）输出电压可调：0-24V （有效值）6）输出交流频率: 50Hz5Hz 发挥部分1 ）波形失真： 5%（2）过流保护：输出2A（3）效率：$70%4）其它1.2 方案论证与比较1.2.1 功
8、率放大器方案论证AB类或B类放大器的理论极限效率为70.7%,考虑电源稳压、功率管压降、控制损耗等因 素，一般最大只能做到50%左右，当输出电压可调时效率与输出电压几乎成正比；A类放大器 效率更低。考虑到发挥部分第三条，效率$70%，此题只能用D类放大器实现。方案一：采用频率可变的高性能正弦波发生组件（如 DDS 电路），配以合适的三角波产生电路， 通过比较器得到需要的 SPWM 波形，再经过驱动、功放、滤波以后，得到满足题目要求的正 弦波形（如下图图一），这是个比较成熟的方案，在很多地方都有实际应用的例子。 但是满足 要求的芯片一时间难以买到，而且经过数字一模拟一PWM 模拟的多道转换，电子
9、元器件多 而繁杂，信号的正弦度不易做到满足题目要求的程度，经过一番考虑，我们否定了这个方案。图一（方案一原理图）方案二：采用高速可编程逻辑器件来实现 SPWM 信号的产生，配合单片机及功率器件，共同构成 此系统。这是一种较为成熟的方案，国内外均有较多的实例来论证这种方案。它拥有处理速度 快，输出 SPWM 波的精度高，可以很容易地改变频率、调制深度、相位等相关参数，以及易 于与其它电路接口等特点。但此题要求输出频率较低且固定不变，失真度要求也较低，无法发 挥 FPGA 的优势，且 FPGA 成本较高，并且在该题中仍需单片机控制，程序量较大，故该方 案不是最佳方案。方案三：采用内部具有 PWM
10、模块的单片机，采用计算加查表的方式来得到 SPWM 信号，这种方 案是现阶段大部分成品变频电源采用的方式，而且有很多合适的单片机可以选择。但是考虑到 题目对电压精度，以及正弦度提出的要求，这些单片机内部的资源大多不够，而且限于运算速 度，没办法把载波的频率提到较高的值，使得滤波变得困难，故该方案也不是最佳方案。方案四：利用片带高精度DAC单片机ADuc845仿DDS原理产生高质量正弦波，且通过改变DAC 的相位累加量可以很方便灵活地改变输出正弦波的频率，如图二（a）；后级放大采用Philips 的单片D类放大芯片TDA8920作功放主芯片。该芯片集成有PWM调制器且在土27V供电的 情况下具有
11、150W的输出能力，如图二（b）,其他指标也都远超题目要求，价格也合理（市场 价目前还不到 40 元）。更难得的是，在 50Hz 时它具有 55dB 的电源电压抑制比（内带反馈且 无相应外围元件），前面的方案以及其它的一些D类放大芯片电源电压抑制比都为零分贝，需 要增加难以调试的 RC 滤波与反馈电路，甚至还要进行软件校正。该芯片的缺点是：需要双电 源供电且最大耐压不高（土 30V），但我们已经找到了合适的解决方案。综合各种因素，我们 选用了该方案。a)图二1.2.2 电源解决方案论证该题要求输入电压为2226V交流输入，经整流和足够大电容滤波后为2736V直流电压。方案一:用BOOST电路将
12、滤波后电路升到5055V,如图四（a）,或者先将电源倍压整流，再用BUCK 电路将电压将至5055V，如图四（b）,再用运放得到一个半压虚地。该方案具有较高的效率 和较好的效果。但40V以上的DC-DC控制芯片比较不常见，另外需增加一片高压功率运放（如 果用电阻分压，可能引起不平衡）。综上，该方案不是最佳方案。方案二:采用 SEPIC 结构电路：如图（五），该方案是单控制得到多输出常用的一种方案，输出电 源质量也较好。由于输出所有的能量都经过电感储能变换，效率有限，一般在 70%85%之间。 加上D类放大器效率，不易实现总机70%的效率，故否定此方案。S EPIC结构如图（五）方案三:用如图（
13、六）方式先将电源整成双电源，再分别进行降压得到土27V电压。由于该方案使 用了 BUCK 结构且输入输出压差不大，效率可达90%95%，但由于使用了半波整流，波动系 数较大，需要使用较大的滤波电容，并且负电压的 BUCK 电路比较不好做，所以该方案并不 佳。方案四:如图（七）先采用BUCK产生一个+27V的正电源，再用电容变压把正压变成负压。BUCK 的效率在压差不大的情况下可达 90%95%，电容变压更是几乎只有二极管和 MOSFET 上的直 流压将损耗，故该方案有极高的效率。但该方案的缺点是负电源略小于正电源，但是该电源的 负压部分是经过两级转换而形成的，负压的产生效率还是有点低的，大概在
14、 85%。采用电容耦合出两组交流电源后再分别整流，这样得出来的两组电压相对独立，可以经过 后级稳压后串联，经过BUCK电路实现双25V的稳定直流输出，这样既没有两次转换所带来的 额外损耗，也不会有半波该方案实现的AC-DC效率高，电路也容易实现，所以我们最终选择了 这个方案。1.2.3 电压、频率显示方案论证方案一：采用LCD液晶模块显示:市场上常见的液晶模块的功耗一般比较大,驱动电流达到50mA, 况且价格比较贵。方案二:采用 LED 数码管显示:使用多个数码管动态显示，其总功耗就等效为一个数码管，一般 在 10mA 左右，且电路简单。综上所述，选择方案二采用数码管实时显示输出电压、频率。1
15、.2.4 过流保护方案论证方案一:用电阻取样后经过放大再触发保护电路。由于该电路所要上取样电阻，在大电流的时候压 降会增大，不利于我们的电压稳定输出（即输出电压调整率会变大）。方案二:采用电流传感器，感应出的电路直接驱动触发电路，当感应电流超过设定值时，电路触发保护。只有按下复位开关或重起电源才能恢复。该电路简单，稳定。考虑到电源的效率及输出调整率，过流保护我们舍去电阻取样方案，采用电流传感器 TA12-200,该传感器具有1： 2000的变比，精度为0.2%。2单元电路设计2.1 系统框图图（九）2.2D 类放大器元器件参数设计电路图如下图（十）所示，该电路中主要作了以下处理：1、用磁珠隔离模拟、数字电源，减小功率部分对前级放大器的高频干扰和对系统其 它部分的干扰，并且所有电源引脚附近都有0.1uF的X7R瓷片电容滤波。2、对输入部分作共模和差模带通滤波，最大限度衰减 50Hz 以外的信号干扰，减小输 出的失真度。3、设置芯片工作频率在250KHz，这也是
