开关稳压电源1

1、开关稳压电源作者：陈国贞 陈涛 李强 一等奖作品 摘要：使用PWM控制器SG3524设计并制作了一种推挽型DC/DC变换器，输出电压可在3036V可调，系统效率可以达到92%。整个变换器由C8051F020型单片机作为控制核心，可以将输入输出电压、电流和系统效率显示出来，并可以对输出电压预设和步进调整，还可以实现过流保护和过压欠压指示，完成了基本部分和发挥部分的所有要求。关键词：推挽 SG3524 C8051F020Abstract: Using PWM controller SG3524, we designed and produced a push-pull DC/DC con

2、verter ,whose output voltage can be adjustable from 30V to 36V .The system efficiency can reach 92%.The converter uses C8051f020 as a controller .The input and output voltage ,input and output current ,and system efficiency can be displayed . It also has over-current protection , over-voltage and un

3、der-voltage instructions. You can preset and step the output voltage. The converter realizes all the basic part and exertion part requirements.Keywords: push-pull SG3524 C8051F020一、           系统方案选择与论证1.      主回路拓扑方案选择与论证方案一：

4、非隔离式升压型DC/DC变换器（图省）如图1，功率开关管和负载直接与整流电路串联，输出电压可以通过公式一求得，该方案简单，调整方便，可靠性高，但是在大功率输出时效率提到很高则变得非常困难，而且输入输出之间没有电的隔离。 方案二：单端正激DC/DC变换器如图2，输入电能通过整流二极管D1、D2传递给负载，同时将部分能量储存在储能电感L中。该方案利用高频变压器原副绕组隔离的特点，可方便地实现输入和输出之间电的隔离，而且很容易实现多路输出，但是此方案中的高频变压器磁芯仅工作在BH曲线的一侧，因而磁利用率和效率都低。 方案三：推挽型DC/DC变换器如图3所示，由两个单端正激开关电源叠加而成，所以输出电

5、压是单个单端正激开关电源输出电压的两倍，该方案在场效应管导通期间，高频变压器原边两绕组的总电压是两倍输入电压，整流电压的幅值等于UI/n。因此能获得较大的输出功率。而且驱动电路简单。不过会因磁芯饱和出现集电极电流尖峰而导致开关管损坏，对功率管的耐压要求高。 考虑到系统效率要达到85%以上，我们选择了方案三来制作升压电路，这样的话不但输出电压可以很容易达到题目要求，而且高频变压器的利用率很高，输出功率可以做的很大。2.      PWM控制芯片的选择方案一:TL494。TL494内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，但在本系统

6、中不能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，不便于实现过压过流保护。方案二:SG3524。SG3524具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便地实现过压过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180°的PWM信号，有效地减少输出电流的纹波，适合于推挽拓扑电路。方案三:UC3842。UC3842是电流型PWM控制芯片，适合于单端直流变换器，有欠压和关断功能，但滞后电压为6V，负载调整率较高，可以逐脉冲限流。另外也没有强制封锁端。考虑到系统已经选用推挽电路，而且要求有过流保护，我们选择SG3524作为PWM信号控制芯片，内部具有过流检测端和自动封锁端，配合软件

7、不需要搭建复杂的保护电路，还可以具有自恢复功能。3.      提高效率的方法(1).我们在设计过程中发现选定较高或较低的频率都会使效率降低，经过反复测试，最终选定了开关频率为140KHz。(2).使用专门的MOS驱动芯片，比如MC34152,对PWM信号整形，使驱动波形上升沿和下降沿陡峭，减少开关损耗。(3).改善变压器的绕制工艺，使其漏感尽量小，使用多股铜线并绕的技术降低趋肤效应，降低铜损。(4).选用低压差的肖特基二极管，降低整流损耗。(5).在合适地方添加吸收网络，减少阻尼振荡。经过综合考虑，我们采用(1)(2)(3)(4)来提高系统效

8、率,同时使用液晶显示，电流传感器采样，降低功耗，使系统效率能够达到90%以上。 二、           主要硬件电路设计和参数计算1.      单片机控制电路的设计我们使用C8051F020型单片机，其有丰富的内部资源，包括本次设计用到的AD、DA和丰富的I/O口资源。用来采样输入输出电压电流值，控制输出电压步进和预设，同时控制保护电路。具体硬件电路参看图4. 2.      输入输

9、出整流滤波电路设计为滤除交流电源线上的外来干扰，同时能避免向外界发出噪声。在电源的输入端加了EMI滤波器。采用全桥整流和型滤波电路技术，对经过220V18V交流变压器的交流信号进行处理，最后得出的整流滤波后的电压。据题目要求， 当交流输入电压从15V到21V变化时，输出电压会在18.3V到26.1V之间变化，参看图5。为了使纹波电压尽可能降低，达到1V，以至于不影响后级电路的设计，取C110000F,C2=4700F,滤波电感使用PQ32/30磁芯绕制4层，经过实际测量纹波电压不超过1V。输出回路采用全桥整流和LC滤波技术，电路图和图5相比只是少了C1和F，其他一样。其中C2=4700F，滤波

10、电感也是使用PQ32/30磁芯，但是是用6股0.5的铜线并绕3层。3.   主回路拓扑电路 （图省）SG3524是美国硅通用公司生产的双端输出式脉宽调制器，工作频率高于100KHz，工作温度为070。我们设定的最高的开关频率为140KHz，所以通过公式四 可以计算得到C3=0.3Mf,R3=3.3K。+5V输出电压经过取样由R1、R2、R9、R10构成的电阻网络分压后获得取样电压，送至误差放大器反相输入端；C8051F020的DA输出的电压送到误差放大器的同相输入端。通过DA控制误差电压，使PWM信号的脉冲宽度发生相应的变化，经输出电路迫使输出电压跟随DA输入电压变化，从而

11、达到稳压目的。MC34152是将SG3524产生的PWM信号整形，使PWM信号的上升沿和下降沿变得更加陡峭，减少开关损耗。R7、R8是用以消除脉冲信号阻尼振荡的消振电阻。开关管选用了耐压150V的MOS场效应管IRFB52N15D，导通电阻很小；整流二极管使用能够耐100V的肖特基二极管，压降小，可以避免功率的不必要损失。4.   高频变压器的设计 高频变压器的设计要求为开关频率最高为140KHz，最小为60KHz，输入电压UIN为18.3V21.6V。额定输入电压为18V，输出电压3036V，输出电流要求能够达到2A，整流管正向电压降为1.2V。具体设计过程为:(1).变

12、压器的传输功率为：考虑副边绕组铜耗，采样、过流保护信号等电阻损耗和原边开关损耗后，设效率为90则输入功率为(2).由PQ磁芯的最大传输功率（100KHz）关系可知，至少需要PQ2620型的磁芯。由于题目中并没有体积要求，为了使最大传输效率达到最佳效果，而且考虑到目前有的几种磁芯型号，选用了PQ4040型磁芯。其每伏输入电压对应的匝数，绕线窗口面积，窗口有效利用系数=0.56。(3).原边线圈的匝数，取整=5匝。(4).副边线圈的匝数，取整为16匝。(5).根据趋肤深度和频率的关系可知穿透深度为(mm)经过反复调试我们最终设计的高频变压器初级线圈用铜皮绕了6匝，次级线圈用0.5mm的铜线16股并

13、绕了18匝，初级和次级线圈都有中间抽头，使得能够流过满足题目要求的足够大的电流。5.   效率分析及计算我们对内部各部分电路功率损耗进行了简单的估算，结果参看表1，参数PWM控制器MOS驱动功率开关高频变压器显示采样键控输出整流其他数值0.48W0.3W1.2W0.8W0.3W0.3W2.4W0.5W表1那么功率损耗综合大约为6.3W，输出功率最大值为74.4W，则系统效率约为92.2。6. 保护电路的设计我们为整个系统设计了过流保护，而且有自恢复功能，在此基础上还增加了过压和欠压显示。单片机检测到输出电流超过2.5A时，向SG3524发出过流信号，送至电流检测端-INV，

14、然后SG3524停止工作，使输出回路断开，达到过流保护。由于UIN的范围为18.3V26.1V我们在26.5V过压和14V欠压。过流保护、过压欠压指示电路参看图7。（图省）7. 测量电路的设计(1).输入输出电压的测量将输入电压经过电位器分压后送到单片机的AD里面，将电压计算出来。输出电压也是一样。(2).输入输出电流的测量我们使用了霍尔电流传感器CS005、CS020，其具有耐压高、成本低、性能稳定等优点，二者分别对输入输出电流采样，并将电流信号通过电阻转变成电压信号，剩下的工作和输入输出电压测量一样。用CD4051控制两路电压信号和两路电流信号的分时采样，仅使用一个AD就可以完成四路信号的

15、采样测量。8.   键控和显示电路的设计我们使用了ZLG7290制作了键盘控制电路，具有功耗小，需要资源少，操作方便等优点。显示电路采用FYD12864将测量结果显示出来，最大的优点就是功耗小，界面友好，将输入输出电压和输入输出电流都显示出来，同时将效率也显示出来。三、           软件设计我们通过C8051F020内部AD/DA,设计能够检测四路电压电流信号，并控制实现键控、预设和数字显示。软件流程图参看图8. （图省） 四、  

16、60;        系统测试及结果分析1.   测试仪器这次我们整个测试用到的仪器有.DH1718D-5型 双路跟踪稳压稳流电源 VP-5220A-1型 模拟示波器MASTECH公司的MY-65型万用表 型调压器2.   测试步骤(1).键控、显示和预设功能测试。将UO预设在36V，然后用键盘控制步进减到30V时，然后步进增到36V，步进值设定为1V，每一次测量中都用万用表测量输出电压值，测试实际结果见表2。然后一次按下想要预设电压值的十位、个位、十分位，但设定值不能超过30到36V

17、的范围。我们测试了三组结果见表3.(2).电压调整率。调整负载，使IO2A，UO36V，用调压器缓慢调整交流电网电压，使得U2在15到21V之间变化，记下输出电压的最大值和最小值。实际测得最大值为36.03V，最小值为35.98。(3).负载调整率。调节调压器，将U2设定到18V，再把输出电压设定为36V，调节负载，使得IO从0到2A变化，记下输出电压的最大值和最小值。实际测得最大值为36.01V，最小值为35.86V。(4).测试系统效率。调节负载，使得U218V，UO36V，IO2A，然后测试输入电压值，测试三次，测试时要用到两个万用表，用万用表测量每次的输入电压电流、输出电压电流值用并将

18、其记下。测试结果如表4所示。结果显示我们的效率能够达到92%。预设值（V）实际值（V）35.635.433.833.531.331.0UIN（V）IIN（A）UO（V）IO（A）效率19.14.21236.32.04392.2%21.13.80336.32.02591.6%19.83.95436.21.96390.8%序号实际电压值（V）显示电压值（V）136.035.9235.034.9334.033.8433.032.9532.031.8631.030.8730.029.9831.020.89 32.031.91033.032.71134.033.81235.034.61336.035.8表3表4表2(5).保护电路测试。首先测试过流保护电路。将输出电压调节到36V，实际中我们的测试点是35.9V，将万用表的直流电流挡串入输出回路和负载之间，然后减小负载值，观察万用表的显示值，看其达到2.5A时，过流保护电流的指示灯有没有点亮（平常是灭的），接着再将负载变大，看显示值达到2 A时系统有没有恢复正常工作，同时指示灯应该变灭了。实际中我们测得电流值达到2.54A时指示灯点亮，减小到2.19A使指示灯灭了，同时系统恢复正常。接着测试过压欠压指示电路。将万用表的直流电压挡接到UIN的地方，然后调节交流调压器，看显示值减小到16