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1、瑞萨杯2013全国电子设计竞赛设计报告单相AC-DC 变换电路（A题）【本科组】摘要 ：本设计是基于被广泛应用在小功率及各种电子设备领域的开关电源而设计的直流供电电路。通过变压器将220V的单相工频沟通电源降为24V，再经由AC-DC变换电路、boost电路升压，最终输出稳定的36V直流电压向负载供电，并在此基础上，实现输出电流在0.2A2.0A的范围内连续变更。此外当电源电压在20V30V的范围内发生波动时，能够保持输出电压基本不变。除了实现以上基本功能外，还对电路进行了过流爱护。 关键词： 开关电源 AC-DC变换电路 boost电路 稳压Abstract：This design is b
2、ased on the low-power switch powers and those widely applied to all kinds of electronic devices to drive DC circuit .The 220V one-phase AC power is lowered to 24V with a transformer ,rectified with a AC-DC circuit ,then pulled up with a boost circuit to output permanent 36V DC voltage providing powe
3、r for load resistance,and on this circumstances,realizing that the output current can consistently change within the range of 0.2A to 2.0A.Besides,the output voltage should stay basically unchanged when the source voltage comes to fluctuating between 20V30V.This circuit is ensured with over-current
4、protection as well beside the basic functions as mentioned before. Keywords：switch power, AC-DC converting circuit , boost circuit , stabilivolt 书目1.设计任务与要求31.1设计任务(见附1)31.2设计要求(见附1)31.3题目分析32.方案的比较与论证32.1主电路方案的提出比较与选择32.2方案选择：42.3方案论证：52.4详细方案的确立53.系统硬件设计与元器件选择63.1系统的总体设计63.2 各个电路模块的设计64.系统软件设计104.
5、1程序总体流程图114.2功能模块的流程图125.系统测试125.1系统调试的方案（方法）125.2系统测试仪器125.3测试结果136.系统电路存在的不足和改进的方向与结论147.附录157.1 附录1 设计任务157.2 附录2 主电路原理图167.3 附录3 部分程序清单177.4 附录4 元器件清单227.5 附录5 参考文献221.设计任务与要求1.1设计任务(见附1)1.2设计要求(见附1)1.3题目分析开关电源电路是电力电子电路中的一种，被广泛应用在小功率及各种电子设备领域，顾名思义，开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源，对于AC/DC电路，主要限制对象是电压和电
6、流。本题目要求通过变压器和AC-DC变换电路实现将单相工频沟通电转换为稳定在36V的直流电压输出。题目难点是在保证输出电压基本不变的前提下实现输出电流在肯定的范围内变更，以及输入端电压在肯定范围内波动时，保证输出电压稳定。2.方案的比较与论证2.1主电路方案的提出比较与选择方案一:图1 单相全桥电路干脆采纳单相全桥pwm限制电路。如图1所示，在整流运行状态下，当Us0时，有V2，VD4，VD1，Ls和V3，VD1，VD4，Ls分别组成了两个升压斩波电路。以包含V2的升压斩波电路为例，当V2导通时，Us通过V2，VD4向Ls储能，当V2关断时，Ls中储存的能量通过VD1，VD4向直流侧电容C充电
7、。当Us0时类似。因为电路按升压斩波电路工作，所以假如限制不当，直流侧电容电压可能比沟通电压峰值高出很多倍，对电力半导体器件形成威逼。可以看出电压型PWM整流电路是升压型整流电路，满意题目要求。将输出电压采集回DSP比较后依据比较结果调整其PWM限制以使输出电压维持稳定。方案二：经过二极管整流桥将24V正弦波整流，然后经由BOOST电路升压到36V，主电路流程图如下：图2方案二流程图通过对负载的电压电流的采集，送到主控芯片，经过PID调整算法达到输出合适的PWM波，实现闭环限制，使电压电流达到额定。122.12.2方案选择：方案一中程序设计困难，须要用到四路PWM波形来限制开关管，输出电压计算
8、不便利限制难度大。由于其电路即可升压也可降压，限制不当即可引起器件的损坏，难度大。对于间接电流限制动态性能差，而干脆电流限制结构比较繁琐。方案二电路结构简洁，原理清楚，易于限制所以选择方案二。2.3方案论证：图3 主电路原理图本系统是由一个变压器变压之后串联由二极管构成整流电路，再串联BOOST电路后接负载，通过限制PWM波的占空比即可限制负载的电压达到基本要求 。由BOOST电路公式，在电流连续下Vout=1/(1-a)*Vin,(注：a为PWM波的占空比)，可见只要选择合适的占空比的PWM波，就可以得到想要结果，在经过PID闭环调整，就可以进行精确的限制。2.4详细方案的确立 依据选定的主
9、电路方案，设计本系统的功能图模块，如下： 图4 系统整体流程针对本系统，进行分模块的设计，选用合适的方案。3.系统硬件设计与元器件选择3.1系统的总体设计设计思想：本系统是AC-DC的变换电路，有很广泛的应用，对相识和驾驭AC-DC的相电路有很大意义。可干脆接入工频电源的稳压供电尽量采纳简洁牢靠的软硬件环境，程序流程力求简洁明白，从而充分利用现有资源，提高系统开发水平。 系统硬件电路模块化，便于硬件测试和电路查询。系统程序设计模块化，便于系统功能的各种组合和修改。设计步骤：1.分析系统要求，题目要求将220v沟通电经变压器变压后经过电路输出36v电压，所以主电路应当包括整流模块与电压变换模块。
10、2.由于要求输出电压在负载变更时基本保持不变，在输入电压变更时也基本保持不变，故引入测量反馈电路。通过电压传感器和电流传感器对输出电压电流检测，经过主控芯片将输出采样的电压与36v比较依据比较结果来限制boost电路，以此来使输出电压稳定。3.由于要求额定电流2A，所以电路要有爱护电路装置。设计合适的爱护电路，4.主控芯片，各种传感器，和各种芯片须要供电电源，但是由于要求中并没有供应所以要从供应的24V沟通源获得所需的电源，要设计合适的电源模块。3.2 各个电路模块的设计整流模块：为尽量是限制简洁化，整流模块干脆采纳不行控的二极管来整流。减轻了主控的的负担。 图5 整流电路模块Boost电路模
11、块：图6 Boost电路模块在电流连续的状况下有下式：，其中=24v为了使电流连续并获得较好的效果，boost电路的参数选取如下：L1=700uH,C2=330vF驱动模块驱动MOSFET电压须要15v左右，而主控芯片的输出电压达不到，为了能胜利驱动MOSFET须要加装驱动电路来对输出电压进行放大。由于集成芯片的性能良好，设计更加优良，而且有输入输出隔离比较适合运用，综合考虑选用A3120。该芯片是特地的IGBT的驱动芯片，芯片内部具有光电隔离，对输入和输出有隔离作用，这样不会对钱电路有影响。驱动模块的设计原理图如下：图7 驱动电路原理图协助电源模块：由于芯片的工作须要直流电源，但是并没有供应
12、可用的直流源，所以购买成品电源模块，干脆从220V电源出获得，以便让芯片正常工作。选用220V转直流模块JSJ55-A2T0515，供应稳定的直流供应芯片，使得芯片正常工作。过流爱护：方案一用熔断丝，当电流多大熔断爱护电路。但是要求过流2.5A0.3A时过流爱护，熔断丝不能达到精确要求。方案不行用。方案二采纳三极管的开关特性，用耐流大的三极管接到主电路，主控电路上电初始化将三极管导通使电路接通，当监测到过流主控发出信号将三极管关断，使之达到爱护的作用。方案有可行行。 方案三在方案二的基础上改进，采纳继电器jw2sn-dc12v。将常闭开关接入主电路，继电器电源正端经三极管后接入地端，三极管基极
13、接入主控芯片I/O口，主控芯片上电复位初始化使三极管处于关断状态，继电器不动作，主控芯片实时监测当前流过负载的电流，推断是否有过流，一旦过流，主控芯片使I/O电平变更导通三极管，使得继电器动作，将常闭开关断开，从而切断主电路，达到过流爱护的作用。方案的可行性高，即可采纳，过流爱护的电路原理如如下： 图8 过流爱护原理图功率因数调整电路：通过电压和电流传感器采集电源侧电压，负载侧电流，用编程方法计算相位差，经由PID调整，限制PWM占空比，实现功率因数的调整。原理图如下：图9 功率因数矫正的仿真原理图电压电流测量电路：对于输出负载与输入的电压电流测量采纳电压传感器VSM025A与电流传感器CSM
14、005A。传感模块的引脚图如下：图10 VSM025A引脚图图11 CSM005A 传感器引脚图对于VSM025A是，将输出端M接到ADC采样，通过算法转换即可得到当前负载电压。对于CSM005A，运用其匝数比5:1000，原边额定输入5A，副边额定输出25mA，由于ADC采集的是电压信号，所以须要在其输出端接100电阻到地，然后将输出端M送到ADC采样，通过算法将当前的电流计算出来。由于不希望传感器输出的信号受到后级电路的影响，须要对信号进行隔离，可采纳运放接成信号跟随器，将信号进行隔离，运放可采纳具有双运放的LM358，隔离电路原理图如下：主电路设计由于将电路已经模块化，系统的组成即是各个
15、模块的拼接，主电路即为负责进行电压的变换。整个系统的综合设计图 系统原理图见附录2. 提高效率的方法1. 尽量选用低开关损耗的开关管；2. PWM波的频率要用合适的频率，太高在开关管上就会造成损耗加大；3. 整流桥要用压降小的二极管；4. 电路设计要合理不要冗余；5. 提高功率因数，减小电源侧无功功率；6. 其他方法等。4.系统软件设计TMS320F2812是TI公司的一款用于限制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。该芯片兼容TMS320LF2407指令系统最高可在150MHz主频下工作，并带有18K8位0等待周期片上SRAM和128k16位片上FLASH（存取时间36ns）。其片上外设主要包括28路12位ADC（最快80ns转换时间）、带有两个事务管理
