开关稳压电源

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Date of design:8/30/2008          email: osembedded@yahoo.cn

开关稳压电源

摘要：采用TL494作为开关稳压电源的核心控制芯片，以BOOST DC-DC变换器作为开关电源的主电路，以8051F040单片机D/A的输出电压作为基准，实现开关稳压电源输出电压的程控调节，实验结果验证了所设计开关电源的可行性。

关键字：DC-DC变换器；BOOST升压；PWM

1.   引  言

开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），通过控制开关管的导通比来维持输出电压的稳定，具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、纹波小、噪音低、易扩容等特点，使得开关电源具有高的稳定性和性价比，在仪器、仪表、工业自动化等领域得到广泛应用。

2.   方案的选择与论证

2.1 DC-DC主回路拓扑方案的选择与论证

2.1.1概述

根据输入与输出之间是否有变压器隔离，DC-DC变换器可分成隔离式和非隔离式两类。非隔离式又有六种拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeat。

2.1.2方案选择

隔离型的开关电源中高频变换器的基本形式有五种：单端正激式、单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式。其中单端正激式和单端反激式结构简单、易于实现，半桥式、全桥式和推挽式电路结构较复杂对驱动电路要求较高、输出功率较大。非隔离型DC-DC变换器没有开关变压器，采用Boost升压变换器可以实现电压将直流电压升高。

比较两种方案：由于题目中已经给出用应用220V隔离变压器，所以应用二次隔离变压就显得有些繁琐。第二种方案的电路简洁且能满足题目要求，故选非隔离型Boost DC-DC变换器作为本题目的主电路。如图1.1。

 

 

 

 

 

图1.1DC-DC变换原理图

2.2 控制方法及实现方案的选择与论证

2.2.1控制方法选择与论证

开关电源的控制方式分为电流模式控制和电压模式控制。电流控制模式虽然具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应，但是需要双环控制，增加了电路设计和分析的难度，且当占空比大于50%时若没有斜坡补偿，控制环变得不稳定，抗干扰性能差，在比赛过程中不利于发挥，故选则电压控制型。

2.2.2实现方案

    采用电压控制，8051F040单片机D/A输出电压作为给DC-DC输出的电压反馈信号的参考信号来控制脉宽调制（PMW）信号，占空比的变化可以改变Boost DC-DC变换器的电压输出。如图1.2.

 

 

图1.2系统总框图

2.3 提高效率的方法及实现方案

2.3.1提高效率的方法

1.在DC-DC输出部分用添加无源无损吸收电路。

2.选用肖特基整流二极管代替快恢复二极管。

3.选择适合的工作频率。

4.电流采样选用阻值较小的电阻。

5.选用电压控制型电路，省去了电流采样电阻。

6．开关管选用低导通电阻的功率MOS管

2.3.2实现方案选择与论证

以上方法对于本电路均能起到提高效率的作用：用饱和电感串联二极管的无源吸收电路可以限制高峰值电流；MOS管的导通阻止很低；开关管输入频率过高，开关损耗大，过小在电感线圈的损耗较大；阻止较小的取样电阻可以降低损耗；电流控制型的电路由于在线圈缘边接电阻取电流信号，而电压型不用取。

3.   电路设计与参数计算

3.1主回路器件的选择及参数计算

3.1.1主回路器件的选择

主回路器件主要是为完成输出设计要求所需关键性元件，即要求能输出最大电压40V、电流2A、满足高效率DC/DC转换、电压调整率

开关控制芯片选择：根据最大输出电压36V而最小输入电压15V，可得开关控制芯片输出脉冲占空比必须大于50％，可选择CM6805、UC3844和TL494等,若选择TL494，单端输出脉冲比最大为50％，将其双端口按线或方式连接则可满足要求。同时，考虑到效率转换，排除了UC3844，因其是电流反馈型开关芯片，在大电流工作时，将明显降低转换效率，CM6805是可观的芯片，具有PFC、PWM自调节功能，效率高，但其技术资料少，不易掌握，TL494是电压反馈型开关芯片，具有双差分放大器反馈控制端口，PWM的死区时间可直接通过分压调节控制，资料较多，易于掌握，故选则TL494

场效应管选择9540，开关速度迅速，可通过50A大电流。

3.1.2参数计算

最小电感设计限值的确定：使得输出纹波电压最小的电感设计值为

                        式(3.1)

由 =18V,R=18Ω，f＝40kHz， ＝36得最小量为55uH，考虑到尽可能减小开关管的电流应力，本设计电感量选为106uH。为减小趋肤效应，电感采取双线并绕方式。

满足输出纹波电压要求的最小电容设计限值由下式确定

                式(3.2)

其中m=VPP/VO=2％，λ取为2。

3.2控制电路设计与参数计算

上述确定了采用TL494开关控制芯片，需外接R、C提供振荡电路，振荡频率为

                          式(3.3)

一般设计在50KHz左右，同时根据电路设计思想，电阻应尽量取高阻值，电容应尽量小，确定参数各为R＝10K欧C＝2200pF由于最大输出功率为80W，直接用TL494驱动场效应管不能实现，故中间串接TPS2812P增大驱动能力

 

3.3效率的分析及计算

3.3.1效率分析

由于电路中的各种器件在一定的工作电压下都有压降，产生一定的损耗，所以输入功率不等于输出功率，输出功率与输入功率的比值是DC-DC变换器效率h。效率越高说明此开关电源的性能越好。

3.3.2计算

h=PO/ PIN，其中PO＝UOIO，PIN＝UINIIN

3.4保护电路设计与参数计算

3.4.1保护电路设计

赛题要求过流保护为可恢复式，过流断路后一定时间自动恢复原输出状态，可采取NE555构成的单稳态电路控制输出完成要求。

3.4.2参数计算

由NE555定时器构成的单稳态触发电路，当输入电平由高变低，电路进入暂态，  ＝1，当输入脉冲已消失，电路经过  时间后恢复稳态， ＝0，三极管导通。

                              式（3.4）

3.5数字设定及显示电路的设计

3.5.1数字设定

通过单片机预设定的值存在数组里，当单片机检测到有按键触发，会把相应的数值通过D/A以电压的方式输出。

3.5.2显示电路设计

DC-DC输出的电压反馈信号经过放大，通过单片机A/D处理把检测到的信号用LCD实时显示出来。

3.5.3 数控主要流程图

    数控功能是基于8051F040内置A/D,D/A模拟器件实现的，当通过键盘输入预置值后，系统自动通过D/A发给TL494的差分端口上一个参考电压，该参考电压按一定比率配合后即可使输出电压达到预定值，A/D模拟器件可于实现电压电流检测、显示，并可实现自动调节功能

 

图3.1数控主要流程图

4.   测试方法与数据

4.1测试方法

(1)输出电压UO通过数字万用表并联测量得出。

(2)最大输出电流通过在输出端加上负载，观察电流在哪个值时出现关断则此电流为最大输出电流。

(3)电压调整率SU 与 负载调整率SI 通过调压器。

(4)输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP 通过数字示波器观察出来。

(5)DC-DC变换器的效率h通过测量输入与输出的电压电流值经过计算得到。

过流保护时的动作电流通过加载负载测得。  

 

4.2测试仪器

表4.1

 

编号	名称	型号
1	五位半数字万用表	TH1951
2	双踪数字示波器	TDS1002

4.3测试数据

表4.2

U2 / V	15.00	16.00	17.00	18.00	19.00	20.00	21.00
UO / V	36.2	36.1	35.7	35.7	35.7	35.5	35.5

 

表4.2

 

IO /A	0	0.25	0.50	0.75	1.00	1.25	1.50	1.75	2.00
UO /V	35.91	36.01	36.00	36.02	36.06	36.14	36.27	36.24	36.39

 

1.   测试结果与分析

5.1与设计指标进行比较

表5.1与设计指标进行比较

 

基本要求	发挥部分	实现情况
UO可调范围30V～36V		30V～36V
最大输出电流IOmax：2A		2A
SU≤2%（IO=2A）	SU≤0.2%（IO=2A）	SU =0.00997
SI≤5%（U2=18V）；	SI≤0.5%（U2=18V）；	SI =0.023
UOPP≤1V		UOPP=0.56V
h≥70%	h≥85%	h=91.4%
IO（th）=2.5±0.2A	电源能自动恢复正常状态	IO（th）=2.7A ，能恢复t＝ 2.57s
	数控及显示，步进值1V	能及时测量电压和电流值，步进值1V

5.2产生偏差的原因

通过测试数据分析，已经完成了基本部分的所有要求，输出电压可调范围30V～36V，最大输出电流2A，SU=0.997%，SI≤5%（U2=18V），UOPP=0.56V， =81.44%，IO（th）=2.7A。

产生偏差的原因有多种，反馈位置不合理，控制电路不够简化，都有可能产生一定的偏差。

5.3改进方法

    经过严格的理论计算，找出最合适的元器件的值，简化电路中一些繁琐的部分，由于在比赛中时间与精力有限，不能很好且透彻的理解电路，因此暂时无法找到更好的办法，相信在以后的研究中会有所提高。

2.   总结

本设计采用单片开关控制芯片TL494作为Boost DC-DC变换器的核心，实现了DC-DC升压转换，且效率高。基本上实现了赛题中的基本要求，但在扩展功能上还有一些欠缺，

开关稳压电源具有的优良性能在引言中已经叙述过，经过此次与队友们肤浅的探讨，的确发现其在现实生活中优越性的体现，我们目前了解的知识还很欠缺，关于电源效率的提高还不能很好的实现，而且由于开关电源本身的特性，其产生的谐波会窜入电网，对电网产生不良影响，这就涉及到功率补偿因素校正（PFC），在以后的学习工作中在对其进行研究。