开关电源论文(国赛一等奖指标).doc

开关稳压电源（题目四）作者: 仇飞 徐川川 王雅灏摘 要本系统以Boost斩波电路为核心，以ARM单片机为主控制器并发出PWM信号，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。系统输出直流电压30V36V 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小，DC-DC变换器的效率达到93.97%。能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示。 一、方案论证1.DC-DC主回路拓扑方案一：间接直流变流电路，可以实现输出端与输入端的隔离，适合输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的电路，但由于采用多次变换，故电路损耗大，效率低，且结构复杂。方案二：Boost斩波电路,开关的开通和关断受外部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C可将输出电压保持平稳，输出电压与输入电压的关系为UO=UI*(ton+toff)/ toff，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。方案三：正激式电路，属隔离型DC-DC电路，存在磁芯复位的问题，而我们要求的电路并不一定需要隔离。综合比较，基于对电路结构和效率的考虑,我们选择方案二。2.控制方法及实现方案方案一：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的键盘设定和步进调整。方案二：用单片机产生PWM控制信号。单片机根据取样电路的反馈对PWM信号做出调整以实现稳压输出。这种方案较为灵活，可以针对本系统具体优化。综合考虑，由于方案一无法进行电压设定及方便的进行步进调整，故选择方案二。3.系统总体框图 4.提高效率的方法及实现方案（1）选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。可频率降低，又使L和C的体积增大，综合考虑后我们把开关频率选定为56KHz。（2）辅助电源的选取：因为辅助电源的功率消耗也计算在整个回路的DC-DC损耗当中，所以为了达到85%的效率，我们选取开关稳压芯片做辅助电源设计电路。（3）Boost斩波电路中开关管的选取：场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。所以我们选取MOSFET作为开关管。（4）Boost斩波电路中二极管的选取：本电路工作频率高，电压低，对二极管的开关速度要求高，对反向耐压要求不高。与快速恢复二极管相比，肖特基二极管正向压降更小、恢复时间更短；反向耐压也已经满足要求。故选择肖特基二极管。（5）Boost斩波电路中电感的选取：由于电感工作在I类状态，电流有很大的直流分量，为了防止电感饱和磁芯需加气隙；由于系统总功率大于120W，需要大容量的磁芯和较大截面积的导线。故使用磁芯和漆包线绕制。（6）控制及保护电路：选用低功耗单片机ARM，其工作电流仅为几个毫安；配置彩屏显示；控制及保护电路的供电采取了降低功耗的措施，用兆欧级的电阻取样；ARM需要的5V电压由低功耗开关稳压芯片MC34063提供。1 电路设计中参数计算 整流滤波模块电容的选择 U2从 15V到21V变动，则UIN =(1.11.2)U2 =16.518,因RC=(35)T/2时，滤波才能达到期望的效果。取UOmax=36V，IOmax=2A，POmax= IOmax* UOmax=72W，效率取75，故PImax= POmax/=96W，IINmax=PImax/ UINmin=5.8A，所以R= UINmin/ IINmax =2.9。又T=0.01s，所以得出 C=5281uf 可取C为7400uf，因为电容太大，所以在开和关电源时，需加保护电路，择中考虑 我们选取了 4700uf 。 Boost电路器件的选择及参数计算Boost升压电路包括MOS管驱动电路和Boost升压基本电路。当U2min=15V,UOmax=36V,IOmax=2A;POmax=IOmax* UOmax=72W;效率取75;故PImax= POmax/=96W;IINmax=PImax/U2min=6.4A。1.开关场效应管的选择当MOS管导通时，电流流过MOS管，内部二极管承受反向电压；当MOS管关断时电流流过二极管，二极管承受正向电压。比最大值各留1倍的裕量，故MOS管的IDmax（IO）12.8A， V（BR）DSS（VRRM）72V。IRF640N的ID =16A，V（BR）DSS=200V ，满足题目要求。其RDS(on)180m。2.PWM驱动电路器件的选择MOS管驱动芯片IR2111静态功耗小，上升时间ton=950ns。下降时间toff=180ns，可实现MOS管的高速开通和关断。3.电感的参数计算因为 U2从 15V到21V变动，则UIN =(1.11.2)U2 =16.518; UO=3036V，得PWM占空比为 0.50.16；为了使继电器准确的通断，I =(Ud*)/fL=45uH，电感值的计算公式： 其中，m是脉动电流与平均电流之比取0.2，开关频率f=56KHz,输出电压VO=36V时，LB=563H，取570H。符合L=45uH。4.电容的参数计算计算公式： 其中，UO为负载电压变化量，取20 mV。f=56KHz,UO=36V时,得CB=1465F。取CB=2200F，再加一只低串联等效电阻的电解电容1000uf并联，进一步减小等效串联电阻，以减小输出电压的纹波。 控制电路的设计与参数计算ARM根据输出电压的设定值和电压反馈信号调节PWM信号，实现稳压输出；和键盘、显示部分结合实现输出电压的设定和显示、输出电流和输入电压的显示等功能；和其他采样电路相结合，为系统提供过流保护、过热保护、过压保护等。PWM信号占空比 当U2=15V，UO=36V时，UIN=1.2*U2-2V=16V，最大值DMAX=0.556；当U2=21V，UO=30V时，UIN=1.4*U2-2V=27.4V，最小值DMIN=0.087。系统对A/D采样的精度要求：题目中最高的精度要求为0.2%，欲达到这一精度,A/D精度至少要达到1/500，即9位的精度。ARM内置12位A/D，最大总误差仅为2LSB，只要合理设定测量范围完全可以达到题目的精度要求。 保护电路的设计与参数计算1过流保护1） 输入过流保护在直流输入端串联一支保险丝（250V，10A），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RTEST，选用阻值0.1的大功率电阻。将电压信号放大后送给ARM进行A/D采样。过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。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。考虑到MOS管开通时的尖锋电流可能使逐波过流保护电路误动作。 2反接保护反接保护功能由二极管和保险丝实现。3防开机“浪涌”保护用电阻串电容并入电路实现了对开机浪涌电流的抑制。4场效应管欠压保护利用IR2302的欠压保护功能对其电源电压进行检测，使管子严格工作在饱和区或截止区，防止管子进入放大区而损坏。 数字设定及显示电路的设计分别通过ARM触屏键盘设定并通过屏幕显示。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的量值通过LCD显示。 效率的分析及计算 （U2=18V,输出电压UO=36V,输出电流IO=2A） DC-DC电路输入电压UIN=1.2*U2=21.6V，信号占空比D1-UIN/UO=0.4，输入电流有效值IIN=IO/（1-D）=3.33A，输出功率PO=UO*IO=72 W。电路中的损耗P损耗：1） Boost电路中电感的损耗：其中，DCR1为电感的直流电阻，取为50 m，代入可得PDCR1=0.55W2） Boost电路中开关管的损耗1、开关损耗 PSW=0.5*UIN*IIN（tr+tf）*f其中，tr=27ns,tf=32ns,f=56KHz,可得 PSW=0.032W2、导通损耗 其中，RDS(on)=150 m，电流感应电阻RSNS取0.1 ，代入得PC=1.31 W3） 两只采样电阻上的总损耗为0.9 W，其他部分的损耗约为0.8 W， 综上电路总损耗P损耗=3.042W，故DC-DC变换器的效率= PO /（PO+P损耗）=95.9%2 单元电路设计 降压整流 采样保护 稳压源 Boost升压 滤波3 软件设计本次设计采用arm产生PWM波控制二极管通断时间从而达到输出为可调范围电压值，并且设计采样电阻采样系统中电压，电流控制回路输出，进行反馈使输出稳定，并且控制输出。4 系统测试及结果分析 测试使用的仪器 表 测试使用的仪器设备序 号名称、型号、规格数量备注1MF47T 万用表1天宇仪表2接触调压器13DS1102E示波器YB4340示波器1带宽20MHz测试方法测试数据隔离变压器：当U2=18V(Vpp=50.9V) Uin=18（1.11.2）=19.821.6V 波形： 当U2=15V(Vpp=42.43V) Uin=15（1.11.2）=16.518V稳压芯片：输出Ustable1=5.00V 输出Ustable2=11.6V负载侧：当U2=15V Ul=23.0V 当U2=18V,输出测试结果分析4.4.1 测试数据与设计指标的比较 （如表4.2所示）表4.2测试数据与设计指标的比较测试项目基本要求发挥要求电路测试结果输出电压可调范围30V-36V实现最大输出电流2A实现电压调整率2%0.2%0.42%负载调整率5%0.5%0.69%输出噪声电压峰峰值1VPP1.8 VPPDC-DC变换器效率70%85%93.97%过流保护动作电流2.50.2A故障排除后自动恢复动作电流2.53A，可以自动恢复。输出电压设定和步进调整步进1V，测量和显示电压电流实现，步进可达0.1V。其他完整可靠的保护电路4.4.2 效率计算产生偏差的原因1） 对效率等进行理论分析和计算时为了降低计算的复杂程度，有些是采用的近似算法和合理的估算，和实际损耗会有偏差。2） 计算时采用的是器件参数的典型值，而实际器件的参数具有明显的离散性，电路性能因此和理论分析值存在偏差。3） 电路的制作工艺并非理想的，会增加电路中的损耗。4.4.3 系统性能的改进方法1） 使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的MOS管、肖特基二极管等；2） 使用软开关技术，进一步减小电力