07电子大赛开关电源报告.doc

题目 ：开关稳压电源摘 要本设计是要求制作一个大电流、小电压的开关稳压电源。综合考虑题目基本和发挥部分的要求。可以看出该开关稳压电源对效率的要求非常高，所以在设计电路的时候尽量减少电路中元器件的损耗。其中有以下几个器件对效率的影响非常大，开关管、升压二极管、电感、以及其它一些辅助电路。根据以上要点设计了模拟电路和数字电路相结合的一个系统。其中模拟部分由隔离变压器、整流滤波电路、DC-DC变换器。DC-DC变换器由一个电流脉宽调制集成模块UC3843组成，可以从输出端引一个反馈到UC3843的电压反馈端调制其输出电压的脉宽，这个电压将控制开关管的开关速率从而使输出电压达到稳定。为了降低开关管的开关损耗选用MOSFET管。经测试在正常工作的时候MOSFET管、整流桥、用于升压的肖特基二极管都会产生大量的热量，所以要加上散热片进行散热以保证整个电路的正常工作。 数字电路控制部分使用高性能低功耗的增强性51单片机C8051F021来控制。控制核心采用内置12位A/D、D/A转换器，电路简洁、控制精度高低功耗。其组成的电路可以实现以下三个功能：1.测试输出电流、电压、功率并显示。2.设定输出电压值。3.当输出电流大于2.5A时，单片机就会启动过流保护电路并同时产生声光报警信号。当短路恢复时，单片机的P0.3口又会输出低电平，使得电路又恢复正常。经按照规定条件测试可得电源的效率达到90% 远远超过了发挥部分的要求。 电压调制率已经远远超过了基本要求，负载调整率也超过了基本要求。纹波也到达了要求并且电路的过流保护功能也正常。另外电路还具有附件功能过流发出声光报警信号。一、 引言为了满足题中发挥部分规定的电源调整率、电阻调整率以及效率的指标。我们在这次设计中主要是通过尽量减少电路的损耗来完成。通过单片机和脉宽调整电路来稳定输出电压、电流，并通过单片机的控制对整个电路进行过流保护，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。同时单片机能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进为1V，并具有测量和数字显示输出电压、电流、功率的功能。增加了在过流的时候系统发出声光报警信号的功能。二、方案论证与比较1DC-DC主回路拓扑方案论证 方案一：采用无变压器的核心部件为直流-直流变换器的电路，此电路简单易操作，但输入输出间不隔离，实现功能简单达不到要求。所以不采用此方案。方案二：采用高性能固定频率电流方式低功耗控制芯UC3843A，构成使用外部原件最少的低成本高效率电路。因此采用此种方案。2. 控制方法及实现方案 方案一：采用电压控制脉宽调整技术，产生频率固定，脉冲宽度可调整的方波脉冲，采用电压反馈环控制系统，它的反馈信息取自输出电压，用反馈电压调整控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲占空比，实现开关电源的稳定。方案二：采用电流控制脉宽调制，此技术相比传统的仅有输出电压反馈的PWM系统比较增加了一个电感电流反馈。此反馈就做为PWM的斜坡函数，就不再需要锯齿波发生器，更重要的是使用电感电流反馈使系统的性能有了明显的改善。一使系统具有快速的瞬态响应及高速的稳定性，二，输出电压精度很高。三，具有内在的对功率开关电流的控制及限流能力。四，具有良好的并联运行能力。经比较可以看出方案二的控制性能明显优于方案一，所以采用方案二。3. 提高效率的方法及实现方案1) 单片机的功耗对电源的效率有很大的影响。所以选用一款功耗低的单片机来控制电路。2) 采用效率高、开关速度高、损耗小的MOS场效应管。3) 选用低损耗的硝特基二极管作为输出端的整流二极管。根据以上可以提高效率的方法综合出包括以下三个方面的方案：1. 放弃使用常规的高功耗单片机8051而改用与51系列兼容但内置高分辨率A/D, D/A转换器的新型低功耗单片机C8051F021，由于A/D, D/A转换器内置，电路结构简单，性能可靠。内部嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，显示屏采用液晶屏。这样可以减小控制电路的损耗，使电源的整体效率提高。2. 使用高效率的MOSFET管IRF9540代替传统的双极型晶体管，因为它的开关速度高导通和关断的时间短，开关损耗小。并且是电压控制型元件，驱动功率小，可以用集成电路直接驱动，不存在二次击穿，热稳定性好因而可靠性高。3. 采用低功耗、超高速、反向恢复时间短的肖特基二极管，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。三、电路设计与参数计算1. 系统框架本系统由以下几大部分组成：隔离变压器、整流滤波电路、过流保护电路、DC-DC变换电路、控制电路、输入电路、显示电路、声光报警电路。 图12.主回路器件的选择与参数计算 整流桥的选择：通过隔离变压器输出的交流电压为18V，输入的电流最大可达56A，为了得到较好的直流量，用全桥整流法整流，整流桥的耐压应为8A左右。滤波电容C1选择：题目输出的最大电流为2A，最大电压为36V，所以输出最大功率约为72W，按照电路效率为80计算。可得整个电路输入的功率约为90W。电路自身功率达18W，根据P=U2/R,可求得整流滤波电路的等效负载电阻RE=5.38，要求基波滤波时间常数C1RE30mS50mS，所以C1取4700F/50V。开关管的选择： 功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点。功率，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电。流经MOSFET的电流理论值ID=TOFFIO/T=VIIO/VO=1.2A.所以MOSFET选耐流大于3A的，功率大于108W的，经比较选用IRF540升压二极管的选择：整流二极管要采用正向电压降低，反向恢复时间短的二极管，所以选用反向恢复时间为60us以下的高耐压快速恢复二极管以及反向耐压为60V的肖特基二极管。它是一种低功耗、超高速半导体器件，可大幅降低开关损耗并提高开关频率3.控制电路的设计与参数计算控制电路的电路图如下所示： 4.效率的分析及计算整流滤波后电路的总功率PI= UIII，输出的功率PO=UOIO,电路损耗的功率主要在开关管的动态损耗、升压二极管的导通损耗、储能电感的损耗。其它部分如脉宽调制集成电路的损耗、单片机的损耗等。这些方面都会导致电源效率的下降。所以在电路中采用现有器材中功耗最低的元器件来减少损耗从而提高电源的效率。如开关管使用MOSFET管IRF540，升压二极管使用肖特基二极管，控制电路采用UC3843，单片机使用51系列C8051F021等。开关电源的效率=PO/PI。4. 保护电路设计与参数计算 保护电路通过单片机进行控制，当输出的电流不大于2.5A时，单片机的P0.3口输出低电平使得跟它相连的三极管9031截止，从而使与三极管相连的场效应管IRF9540导通，电路正常运行。但当输出的电流大于2.5A时，单片机的P0.3口输出高电平使得与它相连的三极管导通从而使场效应管截止，使电流流过与场效应管并联的三个小电阻送至UC3843的电压反馈端从而降低输出电流，当短路恢复时，单片机的P0.3口又会输出低电平，使得电路又恢复正常。5.数字设定及显示电路的设计数字设定是通过键盘输入数值给单片机来实现的，本设计中的键盘采用自制的8键键盘，直接与单片机的P1口连接，连线简单、方便，同时减少了外围电路，从而有助于整体电路效率的提高。显示电路采用带字库LCD液晶显示器。为了避免占用大量的IO口，采用串行传输，其中CS, SID ,CLK引脚分别与P0.0,P0.1.P0.2口相连，虽然编程难度增大，但是节省了IO资源，避免外扩IO，减少了硬件电路的制作。LCD可以用全中文界面显示，显示内容丰富，易于人机交流。四、软件设计 此设计使用低功耗增强型51单片机C8051F021组成的电路可以实现以下三个功能：1.测试输出电流、电压并显示。单片机通过内部自带的A/D对输出的电压和电流进行采样，将采集回来的数值在单片机内部进行处理后将数据送往液晶屏进行输出电压、输出电流、输出功率的显示。2.设定输出电压值。通过键盘设定电压值送给单片机，单片机通过内部自带D/A将数字量转换成相应的模拟量送给UC3843的电压反馈端，进而控制输出电压达到设定值。3.当输出电流大于2.5A时，单片机就会启动过流保护电路通过控制输入UC3843的电压反馈端的电压值从而降低输出电流，并同时产生声光报警信号。当短路恢复时，单片机的P0.3口又会输出低电平，使得电路又恢复正常。，五、系统测试1.测试仪器滑动变阻器7-16 万用表DT890B+、VC9807A+、VC9802A+ 20MHZ示波器 DF4326 电压调节器R6001 2.测试方法 电压调整率的测试方法：在输出电流为2A的条件下，调整变压器使变压器的输出在15V到21V之间取几个值然后测量相应的输出电压值，根据公式 可求得电压调整率。 负载调整率的测试方法：在变压器输出为18V的条件下，调整负载电流在0A和2A之间测所对应的输出电压值。负载调整率就是电压变化量与标准电压的比值。 DC-DC变换器效率的测试方法：在变压器输出为18V,输出电压为36V,输出电流为2A的情况下，测输入电压UI和输入电流II的值，效率UOIO/UIII 。 3.测试数据（1）电压调整率的测试(IO=2A)变压器输出电压（V）152118电路输出电压 （V）35.6536.0235.89电压调整率=0.4% (2) 负载调整率的测试(U2=18V)负载电流（A）2.020输出电压（V）35.8336.94负载调整率=3%(3)DC-DC变换器效率的测量(U2=18V IO=2A UO=36V)输入电压（V）19.8019.7319.07输入电流（A）4.064.134.27输出电压（V）35.8536.0135.95输出电流（A）22.042.01效率89.9%90.15%88.73%(4)纹波条件：U2=18V U0=36V I0=2A 纹波：0.8v(20us/V)纹波：0.1V(20ms/V)U2=17.93V U0=35.9V IO=2.03A纹波电压：0.05V(20MS/V)(5)过流保护：当电流超过2.5A,发出声光报警信号，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。六、结论由测试结果可看出：电压调制率已经远远超过了基本要求，负载调整率也超过了基本要求，电源效率超过了发挥部分的要求。纹波也到达了要求并且电路的过流保护功能也正常。并且具有附件功能过流发出声光报警信号。可能由于测试仪器精度不够存在一些误差也是情理之中。附件单片机部分电路图主程序流程图：定时器3中断服务子程序流程图：保护子程序流程图：按键扫描子程序流程图：显示子程序流程图：14程序清单： $include (c8051f020.inc) CS128BIT P0.0SID128BIT P0.1 CLK128BIT P0.2ORG 0000H AJMPMAINORG0073HLJMPTimer3ORG0080HMAIN:CLR EAMOV WDTCN, #0DEh ;禁止看门狗MOV WDTCN, #0ADhMOVSP,#70HIO_INITL:MOVXBR2,#40H;FOR P0MOVXBR0,#00HMOVXBR1,#00H;设置为I/O方式MOVP0MDOUT,#0FFH;设置为推挽方式MOVP1MDOUT,#00H;设置为输入方式MOVP1,#0FFHAD_INITL: MOVADC0CN,#0F0H;enable adc0 and start the ad convertMOV REF0CN,#03H ;enable bias generator and output bufferDA_INITL: MOVDAC1CN,#80HMOVDAC0CN,#80HMOVDAC0L,#80HMOVDAC0H,#07HSETB P0.3CLR P0.4 ;光报警位RAM_INITL:MOV31H,#0;主菜单光标位置MOV32H,#0;菜单标志MOV33H,#0;键值MOV34H,#0BH;电压设定值MOV35H,#0B8H MOV 36H,#80H MOV 37H,#90HMOV3AH,#0;电压采样值单元(BCD)MOV3BH,#0MOV3CH,#0;电流采样值单元(BCD)MOV3DH,#0MOV54H,#0;功率存放单元MOV55H,#0MOV 40H,#0;电压测量值单元显示用MOV 41H,#0MOV42H,#0MOV43H,#0MOV 44H,#3;电压设定值单元显示用MOV45H,#0MOV46H,#0MOV 4FH,#0MOV 47H,#0;电流测量值单元显示用MOV48H,#0MOV49H,#0MOV 4AH,#0MOV4BH,#0;功率测量值单元显示用MOV4CH,#0MOV4DH,#0MOV 4EH,#0MOV56H,#0MOV50H,#9;电压平均值滤波暂存MOV51H,#0F5HMOV52H,#0;电流平均值滤波暂存MOV53H,#0MOV57H,#0;关标位置 MOV 58H,#0;设定定值标志MOV59H,#0BH;PI输出值单元（BCD）MOV5AH,#0B8HMOV 5BH,#2;PMOV 5CH,#5;IMOV 5DH,#0;E(N)MOV 5EH,#0;MOV 5FH,#0;E(N-1)MOV 60H,#0;MOV 65H,#0FFH;过流标志位MOV 66H,#0MOV 67H,#0LCALLLCD_InitLCALLTimer3_Init LCALL Display_1LCALLDelay_1s 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A Display_4:MOVR0,#80H MOVDPTR,#Caidan4_1MOVR4,#2 LCALL DISP_HZMOVR0,#90H MOVDPTR,#Caidan4_3MOVR4,#2 LCALL DISP_HZ MOVDPTR,#SHUZIMOV30H,#91H LCALL WRITE12864_CMD MOVA,44HMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DATMOV30H,#92H LCALL WRITE12864_CMD MOVA,45HMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DATMOV30H,#94H LCALL WRITE12864_CMD MOVA,46HMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DATMOV30H,#95H LCALL WRITE12864_CMD MOVA,4FHMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DAT MOV30H,#99H LCALL WRITE12864_CMD MOVA,40HMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DATMOV30H,#9AH LCALL WRITE12864_CMD MOVA,41HMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DATMOV30H,#9CH LCALL WRITE12864_CMD MOVA,42HMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DATMOV30H,#9DH LCALL WRITE12864_CMD MOVA,43HMOVC A,A+DPTRMOV30H,ALCALL WRITE12864_DATMOVA,58HJZCaiD4_RETMOV30H,#0FH LCALL WRITE12