开关稳压电源(暑假做).doc

开关稳压电源 王智华摘要 以凌阳16位单片机为控制核心，具有电压可预置；可步进调整；输出电压、预置电压、输出电流同时显示；过流保护及自动恢复功能;以及语音播报功能。输出电压30V-36V精确调整、语音播报及人性化的声光警示功能。系统主要包括：凌阳SPCE061A精简开发板、键盘与LCD显示电路、整流滤波电路、开关控制电路、反馈控制电路等。关键词：SPCE061A，TL494，闭环控制，PWMAbstract This paper designs a switch power supply, using Sunplus SPCE061A as centre of the control, which can set the voltage in advance, adjust the value in step, display the output voltage, the pre-set voltage and the output current at the same time and has the sage guard for the current. Both the basic and the advanced requirements have been finished perfectly. In addition, we add some extra functions such as adjusting the voltage from 0V to 60V exactly, voice broadcasting and warning function using sound and light. The system contains Sunplus SPCE061A, keyboard and LCD circuit, switch control circuit, commutation and filtering circuit, feedback control circuit, and so on. Keyword: SPCE061A, TL494, closed loop control, PWM一、方案论证1.1 DC-DC主回路拓扑方案一：单端正激式变换器该种方式电路结构简单，但其变压器利用率低且结构复杂，不适合自己绕制,体积也较大。方案二: 双管正激式变换器双管正激变换器由于具有开关电压应力低，内在抗桥臂直通能力强，可靠性高,变压器利用率高体积小等优点，被广泛应用于高输入电压的中、大功率等级的电源产品中。因此系统采用方案二。电路结构见图2-1。1.2控制方法及实现方案1.2.1调制方式的选择方案一：脉冲频率调制（PFM），脉冲频率调制是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。调节范围很宽，单电路结构复杂，且容易造成较大的干扰。方案二：脉冲宽度调制（PWM），脉冲宽度调制是将脉冲频率固定，对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽其直流平均电压就越高。电路结构简单，有很多成熟的PWM芯片可供选择。且PWM方式频率固定，使高功率开关引起的杂音与时钟频率相同步，减少了对系统的干扰。鉴于以上分析，故选用了PWM方案。1.2.2脉宽调制（PWM）方案的选择方案一：采用单片机产生PWM波，控制开关的导通与截止。根据A/D的反馈电压程控改变占空比，使出典雅稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当电压达到一定值后关闭开关管，形成过流保护。该方案主要有软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。方案二：单片机与PWM芯片结合，产生PWM信号。采用PWM芯片产生PWM信号，通过采样电压与单片机的预置电压进行比较来控制PWM波的输出。该方案电路比较简单 ，使用硬件控制速度快，可靠性高，而且有很多成熟的PWM芯片可供选择。综合考虑采用方案二。1.3提高效率的方法及实现方案1.3.1开关器件的选择中小开关电源中用到的开关管主要有双极型晶体管和MOSFET两种。双极型晶体管为流控双极性开关器件，道通压降和电阻较大，不利于提高稳压电源的效率。MOSFET为压控单级型器件，不存在二次击穿和少数载流子存储时间问题，有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度，在该电源中，对开关管耐压值要求不高，因此我们选择导通电阻和压降都非常小的MOSFET能有效提高效率。1.3.2整流器件的选择降低整流器件上的功耗是提高DC-DC变换器效率的有效方法。快恢复二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大等优点，肖特基二极管有着比快恢复二极管更快的反向恢复时间，更低的正向导通压降和导通电阻，更大的正向电流。由于该电源的输出电压不高于（30-36），选用肖特基二极管作为整流器件。1.3.3模拟图腾柱输出驱动 由于采用模拟图腾柱驱动电路，使PWM波的上升下降沿时间短，降低其在开关管上的功耗，从而提高其输出效率.电路图见附录图1-1。二、电路设计与参数计算2.1系统组成该系统由控制部分，DC/DC变换器，电压电流及温度的检测部分，键盘和显示部分组成。其中系统控制部分包括单片机和PWM产生芯片；语音部分包括语音识别，语音播报和语音警示。所有的框图大都需要供电 ，为避免连线混乱，供电电路未在系统总框图中画出。系统总电路图见附录图2-3。液晶显示负载语音识别与播报部分控制部分DC/DC变化器键盘电压电流及温度的检测图1-1系统总框图2.2主回路器件的选择及参数计算主电路图如图2-1图2-1 主电路图2.2.1开关管的选择 本设计中开关频率大约为44KHZ，开关速度要求特别快，导通电阻要小，而且要求承受的电流也特别大。最终选择60NF06，该管Ron=16毫欧，允许电流为60A,Vds=60V，能够实现要求。2.2.2整流二极管的选择 整流器件选择SR560。SR560最大整流电流5A，正向压降0.55V，导通电阻小，反向恢复时间短，能够满足要求。2.2.3激励器件的选择激励器件选用PNP型三极管8550。8550属于中功率高频三极管，完全能胜任激励工作。2.3控制电路设计与参数计算2.3.1脉宽调制（PWM）信号产生的选择方案二：采用恒频脉宽调制器TL494，这个芯片可催挽或单端输出，工作频率为1300KHZ，输出电压可达40V，内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。TL494内部结构见附录图2-2。鉴于上面的分析，选用方案二，用TL494来产生PWM波形，控制开关管的导通。Rt、Ct选择为24K和102,频率为fc=1.1CtRt ，为44KHZ。软启动电路由14脚和4脚接电阻和电容来实现。启动时间为t=CcharR=10-5103=10ms(Cchar=10F，R=1K)。13脚接14脚5V参考，采用摧挽输出。2.4效率的分析及计算输出功率计算公式：Po=UoIo，输入功率计算公式：Pin=UinIin 效率计算公式：=PoPin=UoIoUinIin。 由于题目要求DC/DC变换器（控制器）都只能由Uin端口供电，不能另加辅助电源，所以单片机及一些外围电路的功耗要尽量的低。所以使用凌阳61单片机，其内部包含了D/A和A/D，减少了外加D/A和A/D的功耗。提高效率主要是降低DC-DC变换器的损耗，变换器的损耗主要有MOSFET导通损耗，MOSFET开关损耗以及驱动损耗、开关变压器的损耗、二极管的损耗、输出电容的损耗等，这些损耗可以通过降低开关频率等方法来降低。各级损耗的计算方法如下：1.导通损耗：Pc=I2RMSRDS,on；2.开关损耗：Psw=IPKVPKTStsfs/2；3.门级驱动损耗:Pg=QgVfs;4.二极管的损耗：P=IavgVf；5.输出电容的损耗p=I2RMSESR。2.5保护电路设计与参数计算 康铜电阻大小的选择：过流保护和测量负载电流。康铜丝接在整流输入地和负载地之间，越小越好，这样会使两个地之间的电压很小。但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判并且对于后级运放的要求比较高，经过实验，选择0.1欧姆的电阻效果比较好。由于电阻太小，难以测量，所以先测得1欧姆的电阻，然后取其长度的十分之一。 TL494片内由电流误差放大器。可用于过流保护。康铜电阻上的压降，与预先调好的值进行比较，若电流过大，输出高电平，阻止PWM信号产生，开关管处于关断状态，使输出电压降低，形成保护功能。一旦输出电压降低，导致输出电流降低，一旦输出电压降低，导致输出电流降低，检测电压降低，电流误差放大器就会输出低电平，重新产生PWM波形，所以该电路具有自动恢复功能。2.6数字设定及显示电路的设计由于在输出端采样时测得的反馈电压为输出电压的二十四分之一，即分压为1.5V时输出为36V，分压为1.25V时输出电压为30V，设计中采用了凌阳自带的10位D/A,直接输出给TL494提供参考电压。使用凌阳自带A/D采集输出电压，输出电流，并通过液晶显示出来。三、主程序工作流程图按键处理Y识别电压Y开始系统初始化是否已语音训练语音训练NV实测-V预置0.5DAC减少N有键按下DA转换键盘扫描图3-1 主程序工作流程图A/D,D/A转换流程图见附录一图3-2，3-3；程序源代码见附录二。四、测试方法与数据4.1测试方法4.1.1电压调整率的测试方法 改变负载，使输出电流为2A，通过大功率可调电阻改变输入电压 U2（15V-21V）,测量输出电压Uo。Su=UoUo100%4.1.2负载调整率的测试方法使输入电压为U2=18V，通过改变负载电阻，改变输出电流Io（0-2A），测量输出电压Uo 。SI=UoUo100%4.1.3输出纹波的测试方法在输入电压为U2=18V，输出电压Uo=36V，输出电流Io=2A时，用示波器可直接测得输出噪声的纹波电压。4.1.4DC-DC变换器效率的测试方法在输入电压为U2=18V，输出电压Uo=36V，输出电流Io=2A时，分别测量输入输出端的电压与电流，Uin,Uo，Iin，Io。=PoPin=UoIoUinIin4.1测试仪器YB4360(60MHZ)示波器；DT930F+ 4四位半数字万用表；34401A六位半数字万用表4.2测试数据4.2.1输出电压范围测试表4-1输出电压范围测试数据预置电压（V）30313233343536输出电压（V）30.01131.01832.02033.02134.02535.03036.0354.2.2电压调整率测试表4-2电压调整率测试数据测试条件输出电压为36.052V，输出电流为2.00AU2电压（V）14.9615.0116.0417.0518.0419.0120.0121.02输出电压（V）35.98135.98635.99035.99535.99836.00336.00536.006SU=36.006-35.98135.995100%=0.069%4.2.3负载调整率测试表4-3负载调整率测试数据测试条件U2=18V输出电流（A）2.001.530.00输出电压（V）35.99536.00135.959SI=36.009-35.95936.009100%=0.13%4.2.4噪声及纹波测试 （U2=18V，Uo=36V,Io=2A,示波器AC耦合，扫描速度20ms/div）Vopp=290mV。4.2.5效率测试（U2=18V，Uo=36V,Io=2A） Iin=4.52A，Uin=18.01V,Io=2A，Uo=36.005V，=PoPin=UoIoUinIin=85%。4.2.6过流保护过流保护动作电流为2.51A。五、测试结果分析5.1与设计指标比较表5-1指标完成情况表基本部分要求指标实现情况输出电压范围30V-36V28V-36V最大输出电流2A符合要求电压调整率Su2%0.069%负载调整率SI5%0.13%纹波电压UOPP1VUOPP290mV变换器效率70%88.5%过流保护动作电流2.51A发 挥部分电压调整率Su0.2%0.069%负载调整率SI0.5%0.13%变换器效率85%88.5%过流后能否自动恢复能键盘设定步进1V，显示达到指标5.2结果分析各项指标均达到了设计要求。误差产生的原因包括：外界干扰，相邻元件之间的电磁干扰。改进方法：进一步合理化电路布局，提升系统的抗干扰能力。六、参考文献1 Sanjaya Maniktala 美精通开关电源设计王志强译 北京：人民邮电出版社， 2008年10月 第1版2 钱振宇等 开关电源的电磁兼容性北京：电子工业出版社，2005年3 马忠梅等 单片机的C语言应用程序北京：北京航空航 天出版社，2007七、附录附录一图1-1模拟图腾柱输出驱动2-2 TL494内部结构图图2-3系统总电路图开始ADC_Sum=0-ADC_Sum= ADC_Sum/16返回ADC_Sum将值累加至AD_Sum-AD转换完成已执行完16次转换NYYN开始设置控制单元P-DAC-CtrlD/A 转换输出转换结果延时返回图3-2 DA转换流程图 图3-3 AD转换流程图附录二附部分源代码：#include spce061a.h#include splc501user.h#include Chinese_Table.h #include Key.h#include AD.h / AD采集程序头文件#include AD1.h/ AD1采集程序头文件#include s480.hunsigned int da;void DA();void PlayS480(int Result); void delay1(char n)int i,j ; for(i=0;in;i+) *P_Watchdog_Clear = 0x0001; /清看门狗for(j = 0;j6) m=6; LCD501_PutChar(78,16,m+48); break; case 0x0004: x=1; m-; if(m0) m=0; LCD501_PutChar(78,16,m+48); break; case 0x0008: if(Ent_Flag1=1) Ent_Flag1=0; x=0; Ent_Flag=1; da=liwm; DA(); delay1(10); break; default: break; ADC_Init(); AD_Data = ADC_Get(); AD_Result =(float)AD_Data/0xffc0)*3.3*15; /需要公式计算 AD_Result=AD_Result-(AD_Result/30)*0.6; if(AD_Result30+m-0.1) if(da30+m+0.1) if(da0) da-=da1; DA(); delay1(2); ADC_Init1();AD1_Data = ADC_Get1(); dyzh1= (unsigned int)AD_Result;/ 获得整数部分 sw=dyzh1/10; gw=dyzh1%10; dyzh2=(unsigned int)(AD_Result-dyzh1)*100);dyzh22=(AD_Result-dyzh1)*100;dyzh2=(unsigned int)dyzh22;dy=dyzh2/10;de=dyzh2%10; LCD501_PutChar(70,32,sw+48); LCD501_PutChar(78,32,gw+48);LCD501_PutChar(86,32,.);LCD501_PutChar(94,32,dy+48);LCD501_PutChar(102,32,de+48);LCD501_PutChar(110,32,V);delay1(5);if(x=0) if(sw0) PlayS480(sw); PlayS480(10); PlayS480(gw); PlayS480(11); PlayS480(dy); PlayS480(de); 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