2015全国电子设计大赛开关电源类指导

1、基于基于07年开关电源题目分析年开关电源题目分析开关电源就题论题开关电源就题论题Page 2LOGO题目题目一、任务一、任务设计并制作如图设计并制作如图1 1所示的开关稳压电源。所示的开关稳压电源。Page 3LOGO题目题目二、要求二、要求在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：1 1基本要求基本要求 输出电压输出电压U UO O可调范围：可调范围：30V30V36V36V； 最大输出电流最大输出电流I IOmaxOmax：2A2A； U U2 2从从15V15V变到变到21V21V时，电压调整率时，电压调整率SU2%(ISU2%(IO O=2A)=2A)

2、I IO O从从0 0变到变到2A2A时时，负载调整率，负载调整率SI5%(U2=18V)SI5%(U2=18V) 输出噪声纹波电压峰输出噪声纹波电压峰- -峰值峰值U UOPPOPP1V1V（U U2 2=18V,U=18V,UO O=36V,I=36V,IO O=2A=2A）；）； DC-DCDC-DC变换器的效率变换器的效率70%70%（U U2 2=18V,U=18V,UO O=36V,I=36V,IO O=2A=2A）；）； 具有过流保护功能，动作电流具有过流保护功能，动作电流I IO O=2.5=2.50.2A0.2APage 4LOGO题目题目2 2发挥部分发挥部分 进一步提高电

3、压调整率，使进一步提高电压调整率，使SU0.2%SU0.2%（IO=2AIO=2A）；）； 进一步提高负载调整率，使进一步提高负载调整率，使SI0.5%SI0.5%（U2=18VU2=18V）；）； 进一步提高效率，使进一步提高效率，使85%85%（U2=18V,UO=36V,IO=2AU2=18V,UO=36V,IO=2A） 排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态； 能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。

4、其他。其他。Page 5LOGO题目题目三、说明三、说明DC-DCDC-DC变换器变换器不允许使用成品模块不允许使用成品模块，但可使用开关电源，但可使用开关电源控制芯片。控制芯片。U2U2可通过交流调压器改变可通过交流调压器改变U1U1来调整。来调整。DC-DCDC-DC变换器（含变换器（含控制电路）只能由控制电路）只能由UINUIN端口供电端口供电，不得另加辅助电源。，不得另加辅助电源。本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于直流成分，要求用带宽不小于20MHz20MHz模拟示波器（模拟示波器（ACAC耦耦合、扫描

5、速度合、扫描速度20ms/div20ms/div）测量）测量U UOPPOPP。本题中电压调整率本题中电压调整率SUSU指指U2U2在指定范围内变化时，输出在指定范围内变化时，输出电压电压UOUO的变化率；负载调整率的变化率；负载调整率SISI指指I IO O在指定范围内变在指定范围内变化时，输出电压化时，输出电压UOUO的变化率；的变化率；DC-DCDC-DC变换器效率变换器效率 =PO/ =PO/ P PININ，其中，其中P PO OU UO OI IO O，P PININU UININI IININ。Page 6LOGO题目题目n电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的电源在最大输

6、出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）。时间（测试期间，不能出现过热等故障）。n制作时应考虑方便测试，合理设置测试点制作时应考虑方便测试，合理设置测试点. .n设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。出。Page 7LOGO评分标准评分标准Page 8LOGO评分标准评分标准Page 9LOGO评分标准评分标准Page 10LOGO题目分析

7、题目分析n 何为电源？何为电源？答： 1.电源是功率系统，是其它系统最基本的输入，有电力系统的地方就有电源。 2.按照其它系统的要求，电源可以分为一下几大类：线性电源，开关（DC-DC)电源，逆变（DC-AC）电源，“顺”变（AC-DC）电源。这些当中开关电源和逆变电源是难点，也是常考点。n 电源一般有哪些指标？电源一般有哪些指标？答：直流电源：输出功率，效率，精度，交流纹波，负载调整率，电压调整率。 交流电源：输出功率，效率，精度，总谐波失真，频率稳定性，幅值稳定性。n 电源难不难？电源难不难？答：相比于仪器和控制，电源重在实践，但是不轻于理论。要敢于尝试，创 新。要有自己的想法和积累的经验

8、。Page 11LOGO题目分析题目分析n要求要求: :n输出电压输出电压U UO O可调范围：可调范围：30V30V36V36V；n最大输出电流最大输出电流I IOmaxOmax：2A2A；保护功能保护功能nU2=1521V UIN=(1.2)U2=18-26V升压升压1.152倍倍升压电路升压电路Page 12LOGO题目分析题目分析系统方案设计时最简单的方案才是最稳定的，我们不计成本，用最系统方案设计时最简单的方案才是最稳定的，我们不计成本，用最好的芯片力求换取最简单的方案。好的芯片力求换取最简单的方案。比如我们在测量本题的比如我们在测量本题的3030至至36V36V输出电压时，简单的分

9、压跟随测量进输出电压时，简单的分压跟随测量进入入ADAD的电压是的电压是3 3至至3.5V3.5V左右，与左右，与ADAD的满量程相差甚远，因此有人考虑的满量程相差甚远，因此有人考虑采用线性运算电路，将采用线性运算电路，将3030至至36V36V转换到转换到0 0至至5V5V测量，这样甚好，但是测量，这样甚好，但是电路相对就复杂了，我们可以用更准确的电路相对就复杂了，我们可以用更准确的ADAD（如（如ADS1118ADS1118）来测量，）来测量，问题迎刃而解。问题迎刃而解。所以本题我们不考虑什么反激电路，半桥电路等，我们就用最简单所以本题我们不考虑什么反激电路，半桥电路等，我们就用最简单的的

10、BOOSTBOOST电路：电路：Page 13LOGO题目分析题目分析单管反激式：单管反激式： 半桥电路：半桥电路： Page 14LOGOBOOST拓扑分析拓扑分析开关导通电感电流和电感两端电压满足这样的关系：开关导通电感电流和电感两端电压满足这样的关系：开关关断电感电流和电感两端电压满足这样的关系：开关关断电感电流和电感两端电压满足这样的关系：LVindttdI)(LVoVindttdI)(Page 15LOGOBOOST拓扑分析拓扑分析整个周期电感电流波形是这样的：整个周期电感电流波形是这样的：Page 16LOGOBOOST拓扑分析拓扑分析以上是以上是BOOSTBOOST电路工作的两种

11、状态，那么电路工作的两种状态，那么BOOSTBOOST电路输出与输入有什么关电路输出与输入有什么关系呢，有很多方法可以推倒出来，我们不妨以电感为对象，由能量守恒系呢，有很多方法可以推倒出来，我们不妨以电感为对象，由能量守恒可知电感在开关导通时充的能量与开关关断时释放的能量相等。可知电感在开关导通时充的能量与开关关断时释放的能量相等。设开关导通时间为设开关导通时间为TonTon，关断时间为，关断时间为ToffToff，ILIL为整个工作周期电感的平均为整个工作周期电感的平均电流。电流。开关导通时电感积累的能量为开关导通时电感积累的能量为 Pin=Uin Pin=Uin* *ILIL* *TonT

12、on。开关关断时电感释放的能量为开关关断时电感释放的能量为Pout=Pout=（Uo-UinUo-Uin）* *ILIL* *ToffToff。由于由于Pin=PoutPin=Pout可得可得: :VoVinVoToffTonTon上式左边便是开关上式左边便是开关PWMPWM占空比占空比D D。需要注意的是这个结果是电感电流始终不为零推倒的，实际上在不加负需要注意的是这个结果是电感电流始终不为零推倒的，实际上在不加负载时电感上的电流不是连续的，但是仍然可以借助于能量守恒来分析，载时电感上的电流不是连续的，但是仍然可以借助于能量守恒来分析，请同学们自己看书。请同学们自己看书。Page 17LOG

13、OBOOST拓扑分析拓扑分析在上述分析中我们得到在上述分析中我们得到BOOSTBOOST拓扑在电感电流连续的情况下输入输出拓扑在电感电流连续的情况下输入输出电压与开关占空比的关系：电压与开关占空比的关系：VoVinVoD那么是不是我们给定了一个占空比，就能得到一个稳定的输出了那么是不是我们给定了一个占空比，就能得到一个稳定的输出了吗，答案是不可能的，其一输入电压吗，答案是不可能的，其一输入电压VinVin在不断变化，其二负载的在不断变化，其二负载的变化也会让电感电流进入不连续工作状态，因此我们需要反馈，变化也会让电感电流进入不连续工作状态，因此我们需要反馈，当输出电压小于期望值时我们将开关占空

14、比增加，同理，大于时当输出电压小于期望值时我们将开关占空比增加，同理，大于时减小占空比。减小占空比。反馈的方式有两种，一种是最常用的硬件反馈，一种是软件反馈。反馈的方式有两种，一种是最常用的硬件反馈，一种是软件反馈。我们先来讨论硬件反馈。我们先来讨论硬件反馈。Page 18LOGOBOOST电路分析电路分析经典开关电源控制芯片经典开关电源控制芯片UC3842UC3842是硬件反馈很常用的器件，以下是是硬件反馈很常用的器件，以下是UC3842UC3842在在BOOSTBOOST电路中的应用：电路中的应用：Page 19LOGOBOOST电路分析电路分析软件反馈则是指单片机或者软件反馈则是指单片机

15、或者FPGAFPGA用用ADAD采集采集BOOSTBOOST电路输出电压然后与电路输出电压然后与设定电压相比较来改变开关设定电压相比较来改变开关PWMPWM占空比，继而调节输出。软件反馈相占空比，继而调节输出。软件反馈相比于硬件反馈更显灵活，是后期常用的方式，硬件反馈是基础，软件比于硬件反馈更显灵活，是后期常用的方式，硬件反馈是基础，软件反馈是升华。反馈是升华。ADAD采样采样Page 20LOGOBOOST参数设计参数设计电感电感前面介绍了前面介绍了BOOSTBOOST电路基本组成和控制策略，下面将要介绍电路基本组成和控制策略，下面将要介绍BOOSTBOOST电路电路内部具体参数的设计，首先

16、是电感的设计。内部具体参数的设计，首先是电感的设计。设计电感的前提是要知道流过电感的最大电流平均值，就是在满载的设计电感的前提是要知道流过电感的最大电流平均值，就是在满载的情况下，这里不加证明的给出电感电流公式情况下，这里不加证明的给出电感电流公式（精通开关电源设计（精通开关电源设计P38页）页）：其中其中IoIo是输出电流，是输出电流，D D是开关管最大占空比。之前说过电感电流波形是开关管最大占空比。之前说过电感电流波形是这样的：是这样的： DIoIL1Page 21LOGOBOOST参数设计参数设计电感电感我们建立这样一个原则：我们建立这样一个原则：设开关导通时间为设开关导通时间为TonT

17、on，则：，则： ,f f为开关频率。为开关频率。导通时电感电流上升斜率为：导通时电感电流上升斜率为：那么：那么：从而可以得出电感：从而可以得出电感：对于本题对于本题UinUin（min)=18Vmin)=18V，UoUo（maxmax）=36V=36V，Io=2.5AIo=2.5A，我们以，我们以3A3A计算，计算，f f取取50KHz50KHz，从而可以算出电感值为，从而可以算出电感值为100uH100uH。ILI*)5 . 03 . 0(LUinKi ILLTonUinTonKiI*)5 . 03 . 0(*fDTon IofDDUinILTonUinL*)5 . 03 . 0()1 (

18、*)5 . 03 . 0(*Page 22LOGOBOOST参数设计参数设计电感电感仅仅算出电感值不够，我们还要确定用什么样的磁芯和多少线径的铜线绕仅仅算出电感值不够，我们还要确定用什么样的磁芯和多少线径的铜线绕制，在这之前，我们要简单说说电感的一个重要特性制，在这之前，我们要简单说说电感的一个重要特性磁饱和。磁饱和。具体定义大家百度一下，用最直接的解释就是具体定义大家百度一下，用最直接的解释就是电感感值随着流过电感电流电感感值随着流过电感电流的变大而变小，甚至完全消失，电感成为了一根导线，引发短路！的变大而变小，甚至完全消失，电感成为了一根导线，引发短路！我们带着这个特性来尝试设计它。我们带

19、着这个特性来尝试设计它。首先我们要知道有哪些常用的磁芯：首先我们要知道有哪些常用的磁芯：从大到小：从大到小：77191A7 77254A7 77930A7分别常用于分别常用于80200W，2080W，20W以下。本题要求输出以下。本题要求输出36V，2A，最大功率最大功率72W，所以尝试使用，所以尝试使用77254A7。Page 23LOGOBOOST参数设计参数设计电感电感选定磁芯后电感圈数如何确定呢，进入美磁官网，找到选定磁芯后电感圈数如何确定呢，进入美磁官网，找到77254A7的的PDF文文档，打开看到档，打开看到 AL=168AL=168。电感。电感L=ALL=AL* *N2N2。计算

20、出圈数。计算出圈数N=24N=24。是不是这样就完成了电感的设计呢？不是，之前我们说过电感感值会随着是不是这样就完成了电感的设计呢？不是，之前我们说过电感感值会随着电流增大而变小，电流增大而变小，我们要求设计出来的电感在最大电流时其值下降不低于我们要求设计出来的电感在最大电流时其值下降不低于电流为电流为0 0时的时的80%80%。看看PDFPDF文档最下面有个图表：文档最下面有个图表：Page 24LOGOBOOST参数设计参数设计电感电感上表横坐标是上表横坐标是安匝（电流乘匝数）安匝（电流乘匝数），纵坐标是，纵坐标是ALAL，随着安匝数的上升，随着安匝数的上升，ALAL下降，也就意味着电感值

21、在下降，本题中下降，也就意味着电感值在下降，本题中IL=Io/(1-D)=6AIL=Io/(1-D)=6A。匝数之前算过。匝数之前算过为为2424匝，安匝匝，安匝=144=144。查看上表。查看上表ALAL下降略低于下降略低于80%80%，因为设计有裕量（题目，因为设计有裕量（题目要求要求2A2A，我们以，我们以3A3A计算的），所以本设计没有太大问题。计算的），所以本设计没有太大问题。磁芯圈数都设计好了，最后一步是漆包线线径的确定，我们提供一个原则，磁芯圈数都设计好了，最后一步是漆包线线径的确定，我们提供一个原则，一般导线截面积单位一般导线截面积单位cm2cm2上流过的电流为上流过的电流为4

22、00A400A，本题，本题IL=6AIL=6A，可得导线截，可得导线截面积为面积为0.015cm20.015cm2，实验室直径，实验室直径0.8mm0.8mm的铜线截面积为的铜线截面积为0.005cm20.005cm2，所以三，所以三股（两根勉强也可以）一并绕制。股（两根勉强也可以）一并绕制。绕线要整齐绕线要整齐, ,否则会影响性能。否则会影响性能。Page 25LOGOBOOST参数设计参数设计其他器件其他器件n 对于续流二极管，要注意流过最大电流限制和反向承受电压限制，满对于续流二极管，要注意流过最大电流限制和反向承受电压限制，满足这两个基本条件下我们希望二极管反向恢复速度越快越好，本题中

23、足这两个基本条件下我们希望二极管反向恢复速度越快越好，本题中二极管的电流就是输出电流二极管的电流就是输出电流Io=3A，反向最大电压是，反向最大电压是36V，所以采用，所以采用两个两个SR360（3A，60V）并联使用。）并联使用。n 对于滤波电容，我们采用大的电解电容和瓷片电容混合滤波，电解电对于滤波电容，我们采用大的电解电容和瓷片电容混合滤波，电解电容滤低频，瓷片电容滤高频。容滤低频，瓷片电容滤高频。n 对于开关管，选用开关速度快的对于开关管，选用开关速度快的MOSFET场效应管，要注意它的耐压场效应管，要注意它的耐压值足够大和导通电阻尽量小，本题值足够大和导通电阻尽量小，本题IRF540

24、N是比较好的选择。是比较好的选择。n 电流取样电阻的选取不能只看功率够不够，而是要满足精度的问题，电流取样电阻的选取不能只看功率够不够，而是要满足精度的问题，当电路工作时，电阻难免发热，阻值会发生变化，这样测量的电流就当电路工作时，电阻难免发热，阻值会发生变化，这样测量的电流就不准了，而康铜丝电阻不仅功率大，温漂也相当小，因此我们选取它不准了，而康铜丝电阻不仅功率大，温漂也相当小，因此我们选取它作为电流采样电阻。作为电流采样电阻。Page 26LOGO系统整体结构系统整体结构整流滤整流滤波波升压电升压电路路电压电电压电流取样流取样电路电路控制器显示和按键控制器显示和按键ADADDAPage 27LOGO各部分电路各部分电路整流滤波采用以下电路：整流滤波采用以下电路：保险丝必须使用保险丝必须使用，本题，本题8A8A保险丝足够。滤波电容用的是大的电解电容，保险丝足够。滤波电容用的是大的电解电容，注意耐压值至少是滤波后电压的注意耐压值至少是滤波后电压的2 2倍，正负极性不要弄反。倍，正负极性不要弄反。整流桥建议整流桥