开关稳压电源的设计

1、电子设计竞赛论文 开关稳压电源的设计开关稳压电源的设计 组员： 指导老师： 摘 要：本系统以 boost 升压斩波电路为主电路，采用 tl494 作为开关稳压电 源的核心控制芯片，并加入反接保护、输入过压欠压保护、输出过流保护、输 出电压反馈、输出电压显示等辅助系统，实现输出电压 3036v 可调，最大输 出电流 2a 的功能。 关键词：boost tl494 开关电源 msp430f149 单片机 目目 录录 1 1 绪绪论论.2 2 2 系统方案设计系统方案设计 .2 2.1 dc-dc 主回路拓扑.3 2.2 控制方法及实现方案.3 2.3 系统总体框图.3 2.4 提高效率的方法及实现

2、方案.4 3 3 电路设计与参数确定电路设计与参数确定 .4 3.1 boost升压子系统的设计 .4 3.2 重要元器件参数的选择.5 3.3 输入欠压过压保护.5 3.4 tl494 控制电路的设计.6 4 4 测试与分析测试与分析 .7 4.1 测试环境及仪器.7 4.2 测试结果.7 4.3 测试结果与要求比较分析.8 5 5 结论结论 .9 参考文献参考文献 .9 附附录录.9 1 绪 论 开关稳压电源简称开关电源（switching power supply） ，通过控制开关管 的导通比来维持输出电压的稳定，体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源 的 2030%） 、效率高（一般为

3、 6070%，而线性电源只有 3040%） 、自身抗干 扰性强、输出电压范围宽、模块化。功耗低、纹波小、噪音低、易扩容等特点， 使得开关电源具有高的稳定性和性价比，在仪器、仪表、工业自动化等领域得 到广泛应用。 2 系统方案设计 2.1 dc-dc 主回路拓扑 方案一：隔离型的开关电源中高频变换器的基本形式有五种：单端正激式、 单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式。其中单端正激式和单端反激式结构简 单、易于实现，半桥式、全桥式和推挽式电路结构较复杂对驱动电路要求较高、 输出功率较大。 方案二：非隔离型 dc-dc 变换器没有开关变压器，采用 boost 降压变换器 可以实现将直流电压升高，简图如

4、图 2-1 所示。 第二种方案的电路简洁易于实现，而且性价比也比第一种方案好，故选非 隔离型 boost dc-dc 变换器作为主电路。 2.2 控制方法及实现方案 方案一：用 pwm 准用芯片产生 pwm 控制信号。此防范较易实现，而且工作 稳定，不易实现输出电压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。但这种方案很不稳定，实现难以。 综合考虑我们选择方案一。 2.3 系统总体框图 系统总体框图如图 2-1 所示。 e l c uorl vd 图 2-1 boost 升压斩波电路拓扑结构 2.4 提高效率的方

5、法及实现方案 boostboost 升压斩波电路中开关管的选取升压斩波电路中开关管的选取：电力晶体管（gtr）耐压高、工作频 率较低、开关损耗大；电力场效应管（power mosfet）开关损耗小、工作频率 较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。 选择合适的开关工作频率：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。综合考虑后，我们把开关频率设定为 20khz。 boostboost 升压电路中二极管的选取升压电路中二极管的选取：开关电源对于二极管的开关速度要求较高， 可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。

6、与快速恢复二极管相比，肖 特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用 于低压场合。考虑到降低损耗和低压应用的实际，选择肖特基二极管。 3 电路设计与参数确定 3.1 boost 升压子系统的设计 这里我们在常见的 boost 升压结构的基础之上外加反接保护、过压欠压保 护构成，达到使系统更加安全可靠地目的，输出滤波部分加多级电容使输出文 波更小， 反接保护功能由二极管和保险丝实现，电路如图 3-1 。 隔离 变压器 整流 滤波 boost 升压电路 输出 滤波 acacdcdcdc 负载 反馈电路 电压采用 tl494 控制芯片 保护电路 430 单片 机lcd 显示

7、 过压欠压 保护 图 2-2 系统总体框图 图 3-1 输入反接保护模块原理图 boost 升压的 dc-dc 拓扑结构如图 3-2 所示。 图 3-2 boost 升压模块原理图 3.2 重要元器件参数的选择 开关管的选择：开关管的选择：选择导通电阻小的 irf540 作为开关管，其导通电阻仅为 77m（vgs=10v, id=17a）。irf540 击穿电压 vdss为 55v ，漏极电流最大值为 28a（vgs =10 v， 25c），允许最大管耗 pcm可达 50w，完全满足电路要求。 肖特基二极管的选择：肖特基二极管的选择：选择 esad85m-009 型肖特基二极管，其导通压降小，

8、 通过 1 a 电流时仅为 0.35v，并且恢复时间短。实际使用时为降低导通压降将 两个肖特基二极管并联。 电感参数的计算：电感参数的计算： （3-1） 2 2 oo inoin b fumi uuu l 其中，m 是脉动电流与平均电流之比取为 0.25，开关频率 f=25 khz,输出电压 为 36v 时，lb=527.48h，取 530h。 电感线径的计算：最大电流 il为 2.5a，电流密度 j 取 4 a/mm2，线径为 d, 则由得 d=0.892 mm,工作频率为 25khz,需考虑趋肤效应，制作 l i d j 2 2 *）（ 中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导

9、致漆包线有效面积 的减小。 电容的参数计算：电容的参数计算： （3-2） oo inoo b ufu uui c 其中，uo为负载电压变化量，取 20 mv,f=25khz,uo=36v 时,cb=1465f, 取为 2000f，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻 （esr） ，起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。 3.3 输入欠压过压保护 输入的 15v21v 交流电经整流滤波后电压为 18v27v，当输入 18vinv,vv,2 脚出高电平，1 脚输出低电平，通过与非门后为低， 3265 电路正常工作；当输入 vin27v 时，与非门输出高电平，继电器断 开，是电

10、路达到保护作用。如图 3-3 所示。 图 3-3 输入欠压过压模块原理图 3.4 tl494 控制电路的设计 tl494 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功 能，泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。tl494 有 so-16 和 pdip-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求。这里我们选择单端工作方式， 由于 tl494 内部集成多个运放，所以本系统将过流保护和电压反馈都集成在 tl494 里面，充分利用他的功能实现整个电路的过流恢复和输出电压稳定的功 能。 我们把 1 脚和 2 脚的运放用作电压反馈的输入端口，当输入电压增加时，1 脚的采样电压增大，

11、运放的正向输入端电压高于反向输入端，经过内部运放， 或非门后使占空比减小，输出电压减小，从而使输出稳定。 将 15 脚和 16 脚的运放用作过流保护的输入端口，输出电流增加时（大于 2a） ，运放的正向输入电压高于反向输入电压，最终使占空比减小，减小了输出 电压，从而电流减小，达到过流恢复的功能。连接图如 3-4 所示。 1in+ 1 1in- 2 pwm 3 dt c 4 ct 5 rt 6 gnd 7 c1 8 e1 9 e2 10 c2 11 v cc 12 oc 13 v ref 14 2in- 15 2in+ 16 t l494+c1 10u r1 10kc2 332 r3 10k

12、v cc ri 1 1in 2 gnd 3 2in 4 out 2 5 v cc 6 out 1 7 ro 8 t ps2812 r4 10k pwm v cc r6 4.7k r5 200 r7 0.1 r8 4.7k v f r9 4.7k + c? 470u d? diode 1 2 r 1m r 33k c 103 v cc pwm 图 3-4 tl494 模块原理图 tl494 还有一个比较独特的功能，他可以实现输出电压由低到高慢慢建立， 实现软启动，上电时，c1 充电需要一定时间，死区电压由高逐渐变低，q1 管 的导通时间逐渐增大，输出电压逐渐升高。 3.5 输出电压显示 我们使用

13、 msp430 单片机内自带的 12 位 adc,将输出电压采样显示,充分利用 片内资源,节约硬件的使用,使本系统更加完善。 4 测试与分析 4.1 测试环境及仪器 在室温下进行测量，所用仪器如下： 表 4-1 测量工具 编号名称型号 1 数字万用表 dt9508 2 数字存储示波器 utd2000 4.2 测试结果 电压调整率测试电压调整率测试 测试方法：在 i =1a 时，通过调整变压器改变 u ，测量 u ,表 4-1 所示。 020 表 4-1 测量结果 u /v 219.618.016.015.0 u /v 029.029.128.728.4 由以上测试结果可以计算出，系统的电压调整

14、率达到 1.15%，满足题目要求。 负载调整率测试负载调整率测试 测试方法：在 u =19.2v 时，改变负载大小，测量 u 的值，表 4-2 所示 20 表 4-2 测量结果 i /a 0 0.110.300.410.500.650.730.850.931.27 u /v 030.330.330.130.029.629.629.329.228.9 由以上测试结果可以计算出，系统的负载调整率达到 1.82%，满足题目要求。 效率测试效率测试 测试方法: u =19.2v, u =30.0v 时，测试输入电压电流，输出电压电流得 20 到，表 4-3 所示。 表 4-3 测量结果 输入电压 u

15、/v i 输入电流 i /a i 输出电压u /v 0 输出电流i /a 0 效 率/% 22.70.2730.50.1679.62 22.20.3630.40.2179.88 22.00.4730.20.2778.86 21.40.5128.60.3489.10 20.10.9628.50.4972.37 去掉最高与最低测量值，计算得效率平均值为 79.40%。 输出噪声文波测试输出噪声文波测试 测试方法：将电源的输出端连接到 60mhz 模拟示波器（ac 耦合，扫描速度 20ms/div），在 u =18v、u =32v、i =1a 时观察波形图像，并记录文波电压峰 200 -峰值等于 1

16、00mv，符合题目设计要求。 4.3 测试结果与要求比较分析 测试数据与设计指标的比较,如表 4-4 所示。 表 4-4 结果比较 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未测试 电压调整率 20.2% 实现（1.15%） 负载调整率 50.5% 实现（1.82%） 输出噪声电压峰峰值 1vpp 实现 dc-dc 变换器效率 70%85% 实现（79.40%） 过流保护 动作电流 2.50.2a 故障排除后自动恢复实现 产生偏差的原因：产生偏差的原因：对效率等进行理论分析和计算时，采用的是器件参数的 典型值，但实际器件的参数具有明显的离散性，电

17、路性能很可能因此无法达到 理论分析值。 电路的制作工艺并非理想的，会增加电路中的损耗。 改进方法改进方法: :使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力 mos 管，采用 低阻电；使用软开关技术，进一步减小电力 mos 管的开关损耗；采用同步式开 关电源的方案，用电力 mos 管代替肖特基二极管以减小损耗；优化软件控制算 法，进一步减小电压调整率和负载调整率。 5 结论 开关电源在我们的生活中都有用到，而我们学的还是他的很浅的一部分， 我们的基础知识有限，对它的参数，算法有很多不懂的地方。所以好多问题都 要问学长，我们当然也得到了他们的帮助，可我们的基础知识还是要努力学习， 虽然还从在好多问

18、题，但我相信，在我们共同的努力下，我们一定会做得更好， 希望得到老师，同学们的大力支持。 我们是初学者，虽然现在时间紧，但我们还是在努力着。希望给老师一个 满意的答复，可还是基础知识的欠缺，最终导致好多问题的出现。通过这次的 作品制作，我们深深感到基础知识对我们的重要性，还有的就是坚持与毅力是 我们必须有的，相信在以后的学习中我们会走得更好！ 参考文献 1 康光华.模拟电子技术基础.高等教育出版社m.2006.1 2 阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社m.2006.1 3 张肖子等.电子设计指南.高等教育出版社m.2006.1 4 周志敏等.开关电源实用技术.人民邮电出版社m.2007.8 5 张华林等.电子设计竞赛实训教程.北京航空航天大学出版社m.2007.7 附录 电路原理图 t trans1 l1 inductor l2 inductor c1 0.47u/250v c2 0.1u/250v vin 1 2 3 4 d bridge1 +c3 470u +c4 470u c5 103 c7 103 c6 103 c8 103 1 2 3 j1 con3 1 2 j2 con2 f? 3a r ntc 5d-7 r1 res2 d2 led d1 led r6 10k +c1 capacitor pol