电子技术实践开关稳压电源设计

电子技术课程设计报告 报 告 题 目 开关稳压电源设计 作者所在系部 电子工程系 作者所在专业 作者所在班级 作 者 姓 名 作 者 学 号 指导教师姓名 完 成 时 间 2010 年 6 月 29 日 北华航天工业学院电子工程系制 课程设计任务书课程设计任务书 课题名称课题名称开关稳压电源的设计完成时间完成时间 6 29 指导教师指导教师职称职称学生姓名学生姓名班班 级级 总体设计要求和技术要点总体设计要求和技术要点 输入 220V 50Hz 交流 在电阻负载条件下 设计一个稳压电源使电源满足下述 要求 1 输出电压 UO 可调范围 30V 36V 2 最大输出电流 IOmax 2A 3 U2 从 15V 变到 21V 时 电压调整率 SU 2 IO 2A 4 IO 从 0 变到 2A 时 负载调整率 SI 5 U2 18V 5 输出噪声纹波电压峰 峰值 UOPP 1V U2 18V UO 36V IO 2A 6 DC DC 变换器的效率 70 U2 18V UO 36V IO 2A 工作内容及时间进度安排工作内容及时间进度安排 第 17 周 周 1 周 4 查找相关资料 最终确定设计方案 并画出原理图 周 5 进行预答辩 检查原理图的绘制情况 并统计课程设计进展情况 第 18 周 周 1 周 3 进入机房上机 进行仿真实验 周 4 验收答辩 课程设计成果课程设计成果 1 课程设计的仿真结果 2 课程设计报告书 内 容 摘 要 本系统的设计电路由 AC DC 变换电路 DC DC 变换电路 设定与显示电路 保护和测量 电路等四部分组成 AC DC 变换电路 由自耦变压器 隔离变压器 桥式整流堆 和滤 波电容等元件组成 可以在隔离变压器副边输出 15 21 的电压 滤波后给 DC DC 提供 直流电压 DC DC 变换电路 采用 Boost 型拓扑结构 含有运放构成的固定频率脉宽调制 电路 快速场效应管 电感等 本系统通过调节取样电阻形成闭环反馈回路 采样康铜丝 上的电压反馈为输入端 本系统具有调整速度快 精度高 电压调整率低 负载调整率 低 效率高 无需另加辅助电源板 输出纹波小等优点 关键字 Boost 拓扑 PWM 运算放大器 I 目 录 一 概 述 1 二 方案设计与论证 1 1 DC DC 主回路拓扑方案选择 1 2 控制方法的方案选择 3 3 电流工作模式的方案选择 4 三 单元电路设计与分析 4 1 并联开关电路 4 2 三角波产生电路 5 3 脉宽调制信号电路 6 4 取样电路及误差比较放大电路 7 5 电源变换电路 7 四 总原理图及元器件清单 9 五 结论 10 六 心得体会 10 七 参考文献 10 0 一 概述一 概述 本系统的设计电路由 AC DC 变换电路 DC DC 变换电路 设定与显示电路 保护和 测量电路等四部分组成 AC DC 变换电路 由自耦变压器 隔离变压器 桥式整流堆 和滤波电容等元件组成 可以在隔离变压器副边输出 15 21 的电压 滤波后给 DC DC 提供直流电压 DC DC 变换电路 采用 Boost 型拓扑结构 含有运放构成的固定频率脉宽 调制电路 快速场效应管 电感等 本系统通过调节取样电阻形成闭环反馈回路 采样康 铜丝上的电压反馈为输入端 本系统具有调整速度快 精度高 电压调整率低 负载调 整率低 效率高 无需另加辅助电源板 输出纹波小等优点 UORL U1 220VACU2 18VAC 隔离 变压器 DC DC 变换器 IO 整流 滤波 UIN IIN 开关稳压电源 二 方案论证与比较二 方案论证与比较 2 12 1 DC DCDC DC 主回路拓扑的方案选择主回路拓扑的方案选择 DC DC 变换有隔离和非隔离两种 输入输出隔离的方式虽然安全 但是由于隔离变 压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低 而本题没有要求输入输出隔离 所以选择非隔 离方式 具体有以下几种方案 方案一 串联开关电路形式 开关管 Q1 受占空比为 D 的 PWM 波的控制 交替导 通或截止 再经 L 和 C 滤波器在负载 R 上得到稳定直流输出电压 Uo 该电路属于降压 型电路 达不到题目要求的 30 36V 的输出电压 1 方案二 串并联开关电路形式 实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开 关电路 用电感的储能特性来实现升降压 电路控制复杂 方案三 并联开关电路形式 并联开关电路原理与串联开关电路类似 但此电路为 升压型电路 开关导通时电感储能 截止时电感能量输出 只要电感绕制合理 能达到 题目要求的 30 36V 且输出电压 Uo 呈现连续平滑的特性 鉴于本题只需升压 故选择方案三 本设计所采用的并联型开关稳压电源的方框图如图所示 2 2 22 2 控制方法的方案选择控制方法的方案选择 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 后的反馈电压程 控改变占空比 使输出电压稳定在设定值 负载电流在康铜丝上的取样经 A D 后输入单 片机 当该电压达到一定值时关闭开关管 形成过流保护 该方案主要由软件实现 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 采用集成运放芯片 响应速度快 死区时间可以调整 输出级为推挽式结 构 驱动能力较强 通过深度负反馈原理构成误差放大器 电压比较器和三角波产生器 误差放大器用于为闭环控制 调整速度快 电压比较器提供 PWM 信号 保证稳定输出电 压 三角波产生器构成信号产生电路 给电压比较器输出恒频三角波 鉴于题目设计要求 选用方案二 2 32 3 电流工作模式的方案选择电流工作模式的方案选择 方案一 电流连续模式 电流连续工作状态 在下一周期到来时 电感中的电流还 未减小到零 电容的电流能够得倒及时的补充 输出电流的峰值较小 输出纹波电压小 方案二 电流断续模式 断续模式下 电感能量释放完时 下一周期尚未到来 电 容能量得不到及时补充 二极管的峰值电流非常大 对开关管和二极管的要求就非常高 二极管的损耗非常大 而且由于电流是断续的 输出电流交流成分比较大 会增加输出 电容上的损耗 由于对于相同功率的输出 断续工作模式的峰值电流要高很多 而且输 出直流电压的纹波也会增加 损耗大 鉴于设计要求分析 本设计采用方案二 3 三 单元电路设计与分析三 单元电路设计与分析 3 13 1 并联开关电路形式并联开关电路形式 并联开关电路形式为 Boost 变换器 该是 DC DC 变换器中 最易于实现的 最常用 的 最成熟的和输出电压等于或小于输入电压的非隔离型变压电路 且输入与输出负端 是公共端 因为开关频率 F 对 DC DC 电路的效率影响很大 若 F 太低 充电电感 充电 电容的体积太大 在保证充电电感量的前提下 线圈匝数增多 铜损耗加大 若 F 太高 可使充电电感和电容体积缩小 重量减轻 但充电电感的涡流损耗 磁滞损耗及其他元 器件的分布参数的影响加大造成损耗加大 开关频率 F 的选择必须综合考虑诸多因素 当交变电流通过导体时 电流将集中在导体表面流过 这种现象叫集肤效应 电流或 电压以频率较高的电子在导体中传导时 会聚集于总导体表层 而非平均分布于整个导体 的截面积中 线径的选择主要由本系统的开关频率确定 开关频率越大 线径越小 但 是所允许经过的电流越小 并且开关损耗增大 效率降低 本系统采用的频率为 44K 查表得知在此频率下的穿透深度为 0 3304mm 直径应为此深度的 2 倍 即为 0 6608mm 选择的 AWG 导线规格为 21 直径为 0 0785cm 含漆皮 磁芯选择铁镍钼磁芯 该磁芯 具有高的饱和磁通密度 在较大的磁化场下不易饱和 具有较高的导磁率 磁性能稳定 性好 温升低 耐大电流 噪声小 适用在开关电源上 开关管的选择 本设计中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 最终选择了 IRF540 该芯片 Ron 44 毫欧 允许电流为 33A Vds 100V 能够 实现要求 4 3 23 2 三角波产生电路三角波产生电路 三角波产生电路包括同相输入迟滞比较器和积分器两部分 同相输入迟滞比较器输 出端产生方波 积分器对输入的方波信号进行积分 由于正反向积分常数时间相等 故 方波输入后变成同频三角波进行输出 由于三角波振幅太小 增加一级反相比例放大电 路 使之符合要求 经计算可以求的振荡周期如下 T T1 T2 2 R1 R4 C1 R3 2 R1 R4 C1 R3T T1 T2 2 R1 R4 C1 R3 2 R1 R4 C1 R3 T 4 R1 R4 C1 R3T 4 R1 R4 C1 R3 若方波输出端有稳压管的情况下 可以分别求出上下门限电压和门限宽度 如下所 示 VT R1 R3 VZVT R1 R3 VZ VT R1 R3 VZVT R1 R3 VZ VT VT VT 2 R1 R3 VZ VT VT VT 2 R1 R3 VZ 若积分器输出三角波最大值未超过运放输出电压最大值 则积分公式如下 VI VO 1 C IdT 1 C V R DtVI VO 1 C IdT 1 C V R Dt VO 1 RC VdTVO 1 RC VdT 上式表明 输出电压为输入电压对时间的积分 负号表示信号是从运放的反相输入 端输入的 输出级加入反相比例放大电路 其放大倍数计算如下 VO R8 R9 VIVO R8 R9 VI 由以上公式可得 输出三角波频率越高 其振幅越小 故在三角波输出级加入反相 比例放大电路 是输出信号成为振幅符合要求的三角波信号 5 3 33 3 脉宽调制信号电路脉宽调制信号电路 此处运放工作在非线性区 采用比较器电路 三角波信号输入后 与预设电压进行 比较后 产生脉宽调制信号 即 PWM 可易知脉宽受控于预设电压值 其脉冲波形占空 比为 D TW T 100 D TW T 100 由此可见 通过调节占空比即可调节输出电压值 其计算公式如下 VO VI T T TW VI 1 1 D VO VI T T TW VI 1 1 D 经仿真实际测量相关参数 Low V 0V High V 5V Rise Time 1US Fall Time 1US Frequency 44KHZ 占空 D 38 40 42 44 46 48 50 输出 U 29 3V30 4V31 5V32 7V34 0V35 4V36 9V 6 3 43 4 取样电路及误差比较放大电路取样电路及误差比较放大电路 误差比较放大电路为系统构成闭环反馈环路的关键部分 此处为减法电路和反相比 例放大电路构成 减法电路第一级为反相比例放大电路 第二级为反相加法电路 由于 运放工作在深度负反馈的情况下 计算参数如下 由于比较器输入信号为反相信号 故此处增加反相器 其作用不仅仅改变信号极性 而且具有调节比较器输入信号振幅的作用 从而易于改变脉宽调制电路的占空比 在本设计中有些电阻要流大电流 功率要求特别大 所以在大电流处一定要选择功 率大的电阻 康铜电阻的大小选择 康铜丝主要起两个作用 过流保护和测试负载电流 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 3 53 5 电源变换电路电源变换电路 根据题目设计要求为单电源 而本设计多是双电源运放 故必须增加电源转换电路 此处仍旧采用运放深度负反馈原理 构成的具有稳定输出电压的双电源供电系统 采用 三端集成稳压器进行稳压 具有输出电压纹波小 响应速度快等优点 在设计图中前端的稳压电源选择特别重要 这里是引来给芯片供电的 若选得太小 在调输入电压时会引起芯片的工作不稳定 经过多次调试后选择了一个 18V 的稳压源 在题目要求的调节范围内不会影响芯片的工作 完全能够满足题目的要求 7 四 总原理图及元器件清单四 总原理图及元器件清单 4 14 1 并联开关电路电路及脉宽调制信号电并联开关电路电路及脉宽调制信号电 4 24 2 电源变换电源变换电路电路 8 4 3 总原理图总原理图 4 64 6 元器件的清单元器件的清单 9 五 结论五 结论 采用并联开关式稳压电路 电路中的并联调整管工作在开关状态 即调整管主要工 作在饱和导通和截止两种状态 由于管子的饱和导通时管压降 VCES 和截止时管子的电流 ICEO 都很小 管耗主要发生在状态转换过程中 电源效率可以提高到 80 90 所以其体 积小 重量轻 由于上述优点突出 从而在市场应用中日趋主流 六 心得体会六 心得体会 通过这次课设 我对 Proteus 软件的使用有了更进一步的认识 为今后更好的学习 打下了良好的基础 在课设过程中用到了许多平常没有用过或者见过的电子元器件 包 括运算放大器 三极管 MOS 管等等 通过查找各个元器件的资料 对器件的功能和使 用有了进一步的了解 课设过程中 充分运用到了自己所学的数电和模电知识 但课设 过程中也遇到了许多麻烦和困难 主要原因是自己对所学的东西掌握不够牢固 导致许 多器件的功能认识不够清楚认识 通过这次课设 使我明白了学习数电模电的重要性和必要性 这是我们专业的基础 课程 只有学好它们他们 在今后的专业课的学习过程中才能一帆风顺 所以即使学完 了 我也要抽时间好好学习一下 为将来的专业课打