电子设计开关稳压电源和并联开关电源供电系统

1、开关稳压电源-一、开关电源的基本原理1.1 电源设计基本指标要求该电源在电阻负载条件下满足：（1）输出电压UO幅值016V；（2）最大输出电流I0max：2A；（3）U2从15V变到21V时，电压调整率SU2%（IO=2A）；（4）IO从0变到2A时，负载调整率SI5%（U2=18V）；（5）DC-DC变换器的效率70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（6）具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A；设计思路：开关电源由隔离变压器、整流滤波和DCDC变换网络组成。设计的关键是DCDC变换器，它包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率

2、器件和控制模块，而控制模块的设计又是DC/DC的核心，一般DC/DC变换的控制模块使用PWM调制的专用芯片，如TL494，UC3842等。芯片内部集成了振荡器(由外接电阻电容来决定频率)，误差比较器，PWM调制器等，有的甚至有保护电路和驱动电路。在此情况下用集成芯片外加少量的电路即可构成开关电源，稳定性能较好。电源框图二、 开关变换电路2.1 滤波电路输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。图2-1所示滤波电路是一种复合式EMI滤波器，L1、L2和C1构成第一级滤波，共模电感L3和电容C2、C3进行第二级滤波

3、。图2-1输入滤波电路C1用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流，C2、C3宜选用陶瓷电容器。2.2电压反馈电路电压反馈电路如图2-3所示。输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到UC3842的脚，调节R1、R2的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压UO升高，集成稳压器TL431的阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，即UC3842脚对地的分流变大，UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压UO减小。同样如

4、果输出电压UO减小，可通过反馈调节使之升高。图2-3电压反馈电路三、利用UC3842设计开关稳压电源3.1 具体电路设计3.1.1 启动电路启动电路图如图4-2，输入的220V交流电经过桥式整流以及C1C2滤波过后变成脉动的直流电压，此电压经通过电阻R2分压给UC3842提供启动电压，当电压达到16V时达到芯片的启动电压，UC3842开始工作并提供驱动脉冲， UC3842的启动电压大于16 V，启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时，工作电压在1034 V之间，负载电流为15 mA。超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。元件参数选择：（1）变压器的选择：

5、要输出U2=18V的直流电，全桥整流电路的二次侧输出电Un2。因为采用全桥整流，所以有解此算式可以得到 Un2=12.73V计算变压器的一次侧和二次侧的线圈比N1/N2电路的输入电压是市电交流电压220V所以：N1/N2=Un1/Un2即：N1/N2=12.73/220=0.05785根据需要和选择期间的方便，取N1/N2=0.6（2）滤波电容的选择 在经过电路仿真和经验可以得到所需要的滤波电容： C1=68uF, C2=22uF（a）滤波整流电路（b）滤波整流电路波形图图4-1滤波整流电路仿真结果，经过整流滤波后的输出电压是18.8V，虽有误差，但是在允许的范围内。3.1.2 PWM脉冲控制

6、驱动电路 由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。如图43所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R6两端的电压上升，其中R19和C8组成滤波电路防止脉冲尖峰使电路误操作，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值0.3V达到1V(即电流超过15A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚无输出，MOS管Q1截止，从而保护了电路。图4-2 PWM脉冲控制驱动电路他的输出波形图如图4-3：图4

7、-3 PWM输出波形，占空比50%电路元器件参数设置：根据MOS管的工作频率范围，选取适当的工作开关频率，本系统设计选择的工作频率是：f=40KHz 由此UC3842芯片的工作频率设计为根据设定的工作频率为40KHz，选择适当的电容和电阻本系统选择的是电阻：1K, 电容：45nf供给Vcc脚的电压是16V，脚Vfb的输入基准电压是5V。开关管的选择:作为开关器件使用的晶体管, 除了要具有放大特性以外, 更重要的是应具有开关快速和输出功率大等优点。在选择开关功率管时，由于开关功率管应能承受630V以上的高压，为安全起见，应采用耐压1000V的VMOS管。可选用IRFPG40型，其漏源级可承受的最

8、高电压，最大漏极电流，最大功耗，完全可以满足要求。3.1.3 电路输出部分的设计根据设计要求，输出电路部分采用升压式斩波电路。这一部分电路由电感、续流二级管、电容及负载电阻组成。升压斩波电路的基本原理：升压斩波电路的结构如图4-4。 开关管以UC3842设定的频率周期开闭，使电感L储存能量并释放能量。当开关管导通时，电感以ViL的速度充电，把能量储存在L中。当开关截止时，L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以(V0-Vi)L的速度释放到输出电容器C2中。输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少通过电感电流的峰值来控制。 图4-4 升压斩波电路斩波电路各元器件选择：（1）储能电感

9、L 根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4-4)得 （4-13）当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足式(9)。uH （4-14） 同时考虑在10额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的2030，因增加IL可以减小电感L，但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容C2，取30为平衡点，即 (4-15) 由（4-7）和（4-15）可得 （4-16）（2）输出二极管D和输出电容器C的选择 升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流。二极管的峰值电流Id(max)=ILP=5.11A，本

10、电路可选用6A50V以上的快恢复二极管，若采用正向压降低的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高。 输出电容C2的选定取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。 电容的ESRV0/IL=40x1/1.33=O.3。 另外，为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容量应满足 （4-17） 根据计算出的ESR值和容量值选择电容器，由于低温时ESR值增大，故应按低温下的ESR来选择电容。因此，选用200F50V以上频率特性好的电解电容可满足要求。 3.2 电路整体分析整体电路图如图4-6，电路图由三部分组成：（1）启动电路，即降压整

11、流滤波电路，这部分主要是得到DC-DC的输入电压和为UC3842提供驱动电压。（2）PWM脉冲控制驱动电路，它的主体是一个UC3842芯片，以及它的外围电路组成。用它的脚的输出脉冲控制MOS管的工作，并且它自带保护脚，简单方便。（3）输出部分，它是由一个升压直流斩波电路构成，结构原路简单。图4-6整体电四、 开关稳压电源的测试及仿真4.1 仿真结果仿真电路总图如图5-2。图5-2仿真电路图仿真结果如图5-3。5-3负载端输出的电压波形 仿真结果：（1）电压幅值3036V;（2）最大输出电流I0=2A;（3）电压调整率;（4）负载调整率;（5）输出噪声纹波电压峰-峰值;（6）DC-DC变换器的效

12、率;（7）过流保护：过流保护动作电流为2.51A; 仿真结果基本吻合设计要求。并联开关电源供电系统一 题目要求设定并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统。原理图如图一所示：图1：由两个DC/DC模块构成的并联供电系统系统满足要求如下：系统满足要求如下：（1）在额定输出功率下，系统输出电压为，而且效率不小于60%，尽可能的提高效率。（2）调整负载，保持输出电流电压为：使两个模块输出电流之和为且按模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。使两个模块输出电流之和为且按模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。使两个模块输出

13、电流之和为且按模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于2%。使两个模块输出电流之和在之间变化时，两个模块的电流在.0范围内能够按指定的任意比例自动分配，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于2%。二 总体方案设计系统总体框图如图2所示。本设计以mega128为控制核心模块，可设定输出电压，对电路进行过压过流保护，还可对电流实时采样，以实现任意比例电流输出。根据题目要求，系统需要采用两个DC-DC变换电路并联实现。系统的效率、输出电压和两个DC-DC模块的均流误差是本设计的难点与重点，既要提高效率，又要使分流准确。两条支路采用的均流方法为比较法。通过霍尔传感器采集两个模块的电流，

14、然后经过mega128进行比较。当所采集电流值不等于预设的比例电流值时，就通过DA传感器对2模块电压进行微调，其中一个调高，另一个调低，然后循环此法直至传感器所采集的电流达到预设值为止。此调整过程中要求电压稳定。若电压过低则两模块电压需要同时增大，若电压过高则需要同时减小。图2 系统总体方框图液晶显示器主要显示各支路输出电流，回路电流以及负载两端电压。三 方案论证与选择3.1 单片机选择采用ATMEGA128单片机为核心控制器件，通过内部A/D采集输出反馈电压，将反馈电压与设定电压比较，使输出PWM波的占空比按规律变化去控制开关管，实现输出电压稳定在8.0V，电流分均流使用取样电阻采集电压计算

15、出电流与设定值比较，控制输出PWM波占空比，进而实现电流按比例调节。系统框图2如图所示：图3 方案一原理框图通过对反馈点采样，单片机将采集的反馈点电压与设定值比较，调整输出PWM波的占空比，从而实现稳压和分流3.2 均流方案选择比较法它是以嵌入式进行计算分析而得到的分流比例，而不是通过硬件电路采集。本系统通过霍尔电流传感器采集 2个模块的电流，然后经 ATMEGA128比对。当所采集电流值不等于预设的比例电流值时，就通过 D/A对 2模块电压进行微调，其中一个调高，另一个调低，然后循环此法直至传感器所采集的电流达到预设值为止。此调整过程中要求电压稳定。若电压过低，2模块电压需同时增大 ;若电压

16、过高时则同时降低。比较法中，不但能继承它的所有优势，还可以实现 1 1的均流甚至任意比例的电流。尤其是在拓展为多路时硬件电路更为简单，且不存在主模块，所以若任一模块受损不会影响整个系统的正常运行，而且受损模块所承担的电流将由其他模块共同分担。本设计的缺点是软件设计较为复杂。3.3 采样电路选择该部分完成对输出电流的采集，从而实现对电流监测，实现输出的控制。对于传感器采样电路。将霍尔式直流互感器串接到电路中，通过A/D采集互感器的输出电压，根据特性曲线计算出取样电流。采用霍尔式直流电流互感器，取样准确，线路中几乎无电阻存在，因此无损坏，因此更加准确。四.子模块设计4.1 DC/DC模块稳压的原理

17、是对LM2576添加外围电路，选择合适的反馈电阻，实现稳压。 分流的原理是采集两路DC-DC并联模块的最终输出电流，根据设定的电流分配比例和负载功能，计算出两路DC-DC应提供的理论电流值，再通过对两个DC-DC模块输出的电流值采样与理论值比较，如果采样值比理论值大，减小D/A输出电压至反馈点，如果采样值比理论值小，增大D/A输出电压至反馈点。图5 双DC/DC并联电路直至采样值与理论值非常接近。通过这种不断比较法，最终实现控制。输出电压的计算可由下列公式给出： 其中Vref=1.23V，R2=R1（Vout/Vref-1）;为了确保稳定，R1选用标称电阻为1K。电感的选择可以通过计算电感电压

18、与微秒的乘积E*T,然后根据下表查出4.2 采样电路模块图6 电流及电压采集电路该供电系统中，我们选用了三个霍尔电流传感器去检测两条支路以及总回路的输出电流，然后分别用四个AD传感器去采集这三个传感器检测到的电流值以及负载两端的电压值。通过这几个采集的电流值进行相互比较满足我们所要求的电流输出比例。五 数据测试及误差分析5.1 整体电路图7、整体电路图5.1.1测试内容： 额定16W输出时的输出电压 额定16W输出时的效率 电流输出1A时的分电流比例 电流输出1.5A时的分电流比例 电流输出1.52A变化时，任意分配电流 电流输出4A时的分电流比例 过流保护电路5.1.2 测试方法额定16W输出时的输出电压测试： 调节负载使系统工作于额定功率下，用2个万用表分别测量出输出的电压和电流。额定16W输出时的效率测试： 调节负载使系统工作于额定功率下，用4个万用表分别测量出输出的电压、电流和输入端的电压、电流。Io分别为、及时模块电路电流测试：调节负载保持输出电压，使时，用3个万用表分别测量、和。调节负载保持输出电压，使时，用3个万用表分别测量、和。调节负载保持输出电压，使时，用3个万用表分别测量、和。I1 、I2