推挽式直流稳压开关电源的设计-0417修改本

1、届 别2015学号201114240320毕业设计推挽式直流稳压开关电源的设计姓系名 业 电子信息与电气电气工程及其自动化别、 专导 师完、成、导师间 2015 年4 月22 日时目录摘要 .Abstract .1.1 研究背景 .1.2 直流稳压电源的历程 .1.2.1 电力电子的发展.1.2.2 DC/DC 变换器拓扑研究进展.111223344445567888101111121212131314141414151.31.41.5系统各项参数 .系统开发准备 .设计应解决.2.设计方案 .2.1 设计方案.2.1.12.1.22.1.32.1.4主功率变换器的选择 .数控电路方案选择 .

2、控制的选择 .输出显示选择 .2.2 系统总体方案设计 .2.3 开发环境和设计语言的选择 .3.系统理论与分析 .3.1 SG3525原理分析与计算.SG3525 主控SG3525 主控概述.参数计算.3.2 推挽开关电源设计及主要元器件参数计算 .3.2.13.2.23.2.3功率开关管的设计 .整流二极管的设计 .滤波器的设计 .3.3 高频变压器的参数计算.3.3.1 磁芯的选择.3.3.2 初级/次级的匝数计算.3.3.3 变压器绕制以及参数分析.4.实际电路的设计 .4.1 DC-DC 推挽变换电路设计.4.1.1 SG352 驱动电路设计.4.1.2 主功率变换电路设计 .4.2

3、 电压检测电路设计 .4.3 电流检测以及过流保护电路的设计 .4.4 主控制器电路设计.4.5 液晶显示电路设计 .16161718程序的设计19程序功能描述与设计思路19程序流程图196测试方案与. 216.1 测试方案 .6.2 测试条件与仪器 .21212121216.36.3.1及分析 .6.3.2 测试方案与结论.7总结致谢22参考文献23附录 1附录 2附录 3原理图-主控制板24原理图-SG3525控制24原理图主控制25摘要本文介绍了推挽结构的直流稳压开关电源，主变换拓扑为推挽形式。利用该稳压电源可以实现输入 12V 直流，输出 24V/4A 的电源，效率可以达到 90%以上

4、。本系统采用具有较强的智能化控制，主电源结构采用 SG3525 开关电源组成输出稳压，控制部分采用 STC12 单片机。通过 ACS712 电流检测流转换成一定的电压，单片机利用自带的 AD 功能和相应的外部电路将输出的电压和电这些电压数据显示在 Nokia 5110液晶显示屏上面。当输出电流超过 4A 的时候，单片机会发出信号控制继电器断开，保护主电源拓扑。同时会及时发出警报，以提醒用户注意使用。本设计详细的介绍了推挽拓扑结构、单片机最小系统、电流电压检测电路以及输出保护电路。本直流稳压电源设计具有较强的智能化和实际使用的价值。【】推挽拓扑；SG3525；电压电流；单片机；输出保护ABSTR

5、ACTThis prroduthe structure of the push-pull dc voltage switchinger supply,the main topology for push-pull form transformation. To use the 12 v dc regulatedersupply can achieve input, the output of 24 v / 4 aer supply, efficiency can reach above90%.Has strongelligent control is appdhis system, the m

6、ainer sourtructureusing SG3525 chip of switcher supply output voltage stability, control part adoptsSTC12 single chipputer. By ACS712 current detection chip and the correspondingexternal circuit to convert the output voltage and current to a certain voltage, themicrocontroller using comes the voltag

7、e data shows the features of the AD on the Nokia 5110LCD screen. When the outpurrent moren 4 a, microcontroller will signal control relaydisconnect, protection of the mainer supply topology. At the same time will sound analarmime, in order to alert the user to use. This design detailedroduthe push-p

8、ulltopology structure, single chipputer minimum system, electric current detectioncircuit and the output voltage protection circuit. The design of dc regulateder supplywith strongKeywords:elligent and actual using value.Push-pulltopology;SG3525.Voltagecurrentcollection;Singlechipputer; The output pr

9、otection.1 绪论1.1 研究背景随着的高速发展，电子技术和半导体技术也飞速的发展起来。而所有的电子设备全部离不开电源。电源就相当于电子设备的“血液”，一旦它离开“血液”将会停止工作。电源对于电子设备起到了非常关键的作用。而高速发展的经济，以及各种各样的实际需求对电源提出了越来越高的要求。现在的电源已经不仅仅只是实现能源变换或者功率传导这么简单了。所以这就给电源研发工程师带来了很大的和要求。开关电源相较于传统的通过变压器降压再经过二极管整流滤波最后稳压的电源形式来的更加的高效，同时可以具有很小的体积和重量，因为传统的稳压电源，随着输出功率的提高，变压器的重量会变得越来越重。而开关电源可

10、以很好的克服这，因为采用斩波的形式，它可以根据实际负载的大小合理的控制斩波占空比，这就使得电路转换的形式极大的区别于线性稳压电源。稳压电源在日常的实际使用中非常的常见，小到电池的充电，大到给楼宇不间断供电的后备电源。几乎存在于人们日常生活的方方面面。本文由此设计了一款智能的直流稳压电源，利用它可以得到输出 24V 电压，输出具有 4A 的稳压电源。同时可以很好的保证输出的电压精准度较高。由于采用开关形式，可以保证电路的转换效率达到 90%以上。本设计区别于一般的稳压电压最大的地方为智能控制，因为在设计方面加入了控制器。这样可以很好的实现输出电流、电压的检测以及最为关键的输出过流保护。当输出的电

11、流超过 4A 的时候，单片机会发出信号，断开输出回路，从而保护主功率变化拓扑。1.2 直流稳压电源的历程1.2.1 电力电子的发展电力电子技术诞生于上世纪 60 年代，并在 80 年代以后得到了迅速地发展，其发展主要由实际需求推动1 。目前电子设备中广泛采用的开关电源（ SwitodeerSupply,SMPS）系统是典型的电力电子控制系统，其运动行为十分复杂2。要让一个开关电源运行起来，需要具备的条件非常的多。首先需要考虑的就是拓扑结构。还有就是各种干扰、电磁噪声以及控制系统的稳定性等。这些现象看似令人难以捉摸，其实是组成开关电源系统的 DC/DC 变换器固有非线性特征。近 30 年来，针对

12、 DC/DC 变换器的拓扑结构发展以及研究取得了不小的成就，如在DC/DC 变换器中，发现了正激变换、反激变换、双管正激、推挽以及近几年发展起来的 LLC 拓扑等。通过这些不同的拓扑进一步加快了电力电子的发展以及促进了各种应用的推广。更为有意义的是，通过研究 DC/DC 变换器的拓扑可为优化 DC/DC 变换器的参数设计和系统调试提供理论依据。鉴于此，本文针对开关电源系统中 DC/DC 变换器的推挽拓扑进行研究，分析不同推挽结构的工作机理以及相应的参数计算。并结合先进的智能化控制设计一款输出电压为 24V 输出电流为 4A 的推挽式开关稳压电源。利用这款直流稳压电源上面的液晶显示器可以实时的检

13、测输出电流以及输出电压的大小。1.2.2 DC/DC 变换器拓扑研究进展一般情况下，按照相应的规则开关电源变化器主要分为 AC-DC、AC-AC、DC-DC 还有就是 DC-AC。通常交流到交流也就是 AC-AC 比较容易实现，只需要通过变压器即可实现。但是这是相对于低频情况下的，高频情况下情况将变得复杂。DC/DC 变换器是开关电源系统中最重要的一部分，其开关频率是开关电源中提高最快的，它在提高频率中遇到的开关过程、损耗机制等问题，其它变换器也都会遇到。DC/DC 变换器基本电路拓扑结构研究始见于上世纪 60 年代前科学家 O.A.Kossov 的“LC 滤波器的斩波器式电压调节器的比较分析

14、”中注明的三种基本电路拓扑：BUCK（降压）、BOOST（升压）和 BUCK-BOOST（升降压）80-82。1976 年，83中提出加州理工学院 Slobodan Cuk 在其博士Cuk（升降压），并在 80 年代中期得到公认，基本 DC-DC 变换器电路拓扑增加到 4 种。1977年，Bell开发了无变压器电容储能变换器 SC 和 Zeta84，并于被业界列为 DC/DC 变换器的基本电路拓扑，于是基本 DC/DC 变换器的电路拓扑增加到 6 种。目前其它变换器都是在这 6 种 DC/DC 变换器基本电路基础上衍生出来的。直流到直流的功率变化器按照工作是开关管的情况可以分为硬开关和软开关，

15、硬开关就是在开关管是电路强行开启和关闭，这在高频情况下会造成较大的开关损耗以及噪声。常用硬开关变换器除 6 种基本的 DC-DC 变换器电路拓扑外还有推挽型、半桥型、全桥型、单 激型、单端反激型、双管正激型等，硬开关变换器组成的电源系统体积和重量较大79。1.3 系统各项参数本系统设计的是一款智能化的推挽式直流稳压电源。系统设计的输出电压为 24V，输出的电流为4A。输入的电压为直流的12V 电压，根据输出的电压和电流可以知道系统输出的功率为 96W，从而可以得到输入的 12V 电源必须具有输出 8A 电流的能力。由于输入的电流较大，可以采用蓄电池或者具有较大输出电流能力的数控电源。此外由于考

16、虑到输入的电流较大，允许输入的电压范围在 10V-20V 之间波动。系统采用推挽式结构拓扑可以达到较高的效率，经过实际测试效率可以达到 90%以上。1.4 系统开发准备从设计的摘要和背景可以看出，开发本系统不仅需要详细的计算开关电源拓扑中各项性能参数，还需要具有良好的智能化控制，和实时的数据显示。而要实现这些功能就要相应硬件和 的相互配合才能实现。下面列举出开发本系统需要具备的一些条件。硬件准备：（1）主要元件：STC12C5A60S2 主控制器，SG3525 开关电源控制，Nokia 5110 液晶显示屏，蜂铃器，按键，高频变压器，继电器，MOS 管以及电阻电容等。（2）蓄电池：作为系统的输

17、入电源。STC 烧写器：实现将编写的程序电脑：安装必要的电路设计准备：到主控制器中。以及参数计算仿真、编写等。（1）KeilC51 编译器：用来编写、调试系统的控制程序。：用来设计相关的电路图和 PCB 板的绘制3。（2）Pro99 SE（4）STC-ISP-483：提供一个，用于将编译通过的单片机可以执行的代码到单片机中，相当于串口调试助手，只是具有一定的单片机型号识别功能。1.5 设计应解决在进行推挽式稳压电源的设计过程当中有几个需要重点解决：推挽开关电源各项参数的计算、变压器参数的计算、变压器的绕制、滤波网络的设计、电路的抗干扰、控制程序的编写以及 PCB 板图的绘制、焊接以及软硬件调试

18、等。2 设计方案2.1 设计方案在本次设计中，如何设计需要输出的参数需求以及实现智能化控制并对输出的异常情况作出相应的反应是设计的要点也是难点。下面对实现各个功能的方法进行方案比较。2.1.1 主功率变换器的选择方案一：采用半桥式功率变换器。变压器利用率较高，功率管电压应力低。但其电路中需要两个大容量的电解电容，开关管峰值电流大，环流能量大，驱动电路相对复杂，与其它功率变换器相比，要获得相同输出电压，需要的变压器匝数多，适合于功率较大的场合。方案二 采用推挽式功率变换器。在低输入电压（小于 100V）时，推挽电路在某时刻只有一个开关元件工作，对于相同要求的输出功率，开关损耗小，驱动电路简单，而

19、且此变换器尤其适合用于需要升压变换的场合。因此本设计采用此变换器。2.1.2 数控电路方案选择方案一：STC12 单片机STC12 单片机的应用范围非常的广泛，并且它的价格非常的低廉，具有精简的控制指令集8。针对不同的应用它的Flash 容量也各有不同。使用到这款单片机的场合大部分是一些需要，并且对成本控制很严格的场合。还有一个优点就是它的开发环境和工具低廉，可以让前期的开发入门的很快，缩短产品的开发周期。并且这款单片机具有 8 路 10 位的AD功能，可以很好的实现对外部模拟电压。方案二：ATmage16 单片机ATmage16 单片机是由ATMEL 公司生产的高性能，低功耗单片机，它在相同

20、的晶振频率下，代码的执行速度比 89C51 来的快得多，功耗却比 89C51 来的低9。但是它的成本相对应也较高。主要使用在一些需要智能化控制的领域，特别是需要承载智能算法的设备上面，因为利用该款单片机可以快速的处理这些智能算法，并且保持较低的功耗。方案三：STM32 单片机STM32 单片机是 ST 公司生产的高性能，低功耗单片机。它的性能相对于 AVR 单片机的性能来的更加的高，功耗也更加的低，同样的的价格也相对应的较高。这个系列的单片机主要作为一些手持终端的控制。在一些中高端设备上面使用的频率很高。对于初学者前期的开发较为制的邻域。，一般使用在一些需要搭载交互设备和需要实时控上面只是简单

21、的罗列出了一些较为常用的控制类单片机。实际的使用环境和具体型 号没办法一一列举。根据实际设计的需要选择性价比最高的单片机才能最大化的实现相 应的功能。采用 STM32 单片机可以有较低的功耗和控制策略，但是整体开发难度会较大，性价比不高。采用 ATmega16L 单片机性价比比也很难做的很低。而采用 STC12 单片机可以达到降低的成本和性价比，故采用方案一。2.1.3 控制方案一这款的选择采用 TL494 控制，广泛使用在各种开关电源设计当中，设计外部电路灵活可靠，死区时间控制严密，但是有一个较大的缺点就是它驱动外部开关管的能力较弱。驱动较大功率的 MOS管有一定的难度。如果需要驱动外部开关

22、管则需要必要的外部元器件，不易满足本设计的要求。方案二 采用 SG3525 控制它能提供灵活的死区时间设置和稳定度很高的基准源，其具有很强的驱动能力，完全满足设计需求,故本设计采用此作为控制。2.1.4 输出显示选择方案一：选用数码管数码管是常用的显示器件器件之一，由于其控制较为简单，成本较低一般使用在一些需要显示内容较少的设备当中。但是由于其占用的 IO 口资源见多，一旦硬件电路确定，可以显示的内容基本上也就确定下来了。可拓展的空间非常的小。方案二：选用 1602 液晶显示屏1602 顾名思义就是可以显示 32 个字符的显示设备，并且可以 2 行的形式显示出来10。硬件设计完成后，通过的设置

23、可以很好的修改显示的内容。占用的 I/O 口较多，但是使用起来较为的灵活，成本方面也不是很高。方案三：选用 Nokia 5110Nokia 5110LCD 是出自于 NOKIA公司的液晶显示模块，其可用于 NOKIA5110、6150，6100等系列机。该产品除了适合用于外，也可用于其他设备的显示系统。该模块比较突出的特点有：性价比极高、接口简单、速度快、具有掉电模式，功耗极低。通过上面的方案比较可以发现，现在的显示技术非常的多。不同的场合使用不用的显示设备才能更好的达到较高的性价比。结合系统开发的显示要求。放弃了采用数码管方式；由于采用的控制是 STC12 单片机，选用 1602 液晶显示屏

24、会造成整体硬件设计开发上的不便。综合比较上面的显示技术，结合本系统的显示要求、成本、开发难度等，决定选用 Nokia 5110 液晶显示屏作为系统的显示设备。2.2 系统总体方案设计从上面的功能介绍和方案比较分析可以看出要实现相应功能必须具有一定的硬件外围电路支持。本系统主要分为 STC12 主控制器和 SG3525开关电源驱动板两大。还有就是 DC-DC 推挽升压的主功率拓扑，其余的就是主控器的设计，例如电路、Nokia 5110 液晶显示、输入电源、控制按键、蜂鸣器、电压电流采样等。主控制板系统框图如图 2-1 所示。但是晦涩难懂。如果用这个语言开发会给系统的兼容性带来很大的影响。所以本系

25、统采用C 语言进行相应程序代码的编写。3 系统理论与分析3.1 SG3525原理分析与计算3.1.1 SG3525 主控概述本设计实际使用到的电压调节SG3525 图 3-1 为这款的管脚排布图。图 3-2为它的框图。结合图 3-1 和图 3-2 可以看出 SG3525 的第 1 脚和第 2 脚为的误差放大器的反向输入端和同相输入端，这个误差放大器很大部分决定了输出电压的精度，这部分也是设计过程当中的难点。第 3 脚为时钟的同步输入端，本设计中没有使用到这个时钟同步管脚，所以直接悬空。有同步时钟输入端就有相应的同步时钟输出端，该款的同步时钟输出端就是第 4 脚，同样的由于设计过程当中只使用一颗

26、芯片，所以同步时钟输出也是悬空的。的第 5、6、7 管脚是设计过程当中非常关键的一个方面，这 3 个管脚之间的电阻电容容量决定了整个电路的开关频率。第 8 管脚为的软启动管脚，在这个管脚并联一定容量的电容决定了隔。的第 9 管脚是要结合第 1 管脚来设计的，相当于上电到输出控制信号的时间间误差放大器的输出端。第 10管脚为异常关闭管脚，当这个管脚的电平为高时，停止输出信号。第11、14管脚为输出互为 180的信号。第 12 管脚为的电源地。第 13、15 为的电源引脚。第16 为基准电压输出，这个基准电压可以做到5.11%的精度，这个基准电压的精度直接关系到了输出电压的精度。图 3-1 SG3

27、525 的引脚排列图SG3525结构图如图 3-2 所示。图 3-2 SG3525结构图图 3-3 SG3525 简化的电路方框图图 3-3 所示的电路方框图简单地描述了采用 SG3525 作为控制的简化应用电路图。3.1.2 SG3525 主控参数计算根据实际设计的电路和使用的变压器磁芯，变压器设计将在后续章节详细介绍。系统设计的开关频率为 48kHZ，而要开关频率为 48kHz 这要设计 SG3525 第 5、6、7 管脚之间的电阻电容关系。根据图 3-4 和图 3-5 的，可以得到为了设计出满足系统开关频率的 48kHz，需要将电阻的取值设为 12k，电容的取值设为 5nF。这部分的设计

28、其实最为主要的就是设计的开关频率和相应的反馈回路，其余的设计较为简单，这里不进行详细的介绍。图 3-4SG3525 开关频率与电阻关系表图 3-5SG3525 开关频率与电容关系表3.2 推挽开关电源设计及主要元器件参数计算本设计系统中要求输入电压在 10V20V 之间变化，输出电压稳定在整流 24V 左右，输出电流在 0.14A 之间变化。根据相应的参考文献和图标公式，下面计算一下主要的元器件参数和型号确定，主要有功率开关管的选型、整流二极管选型、输出电容以及滤波电感，四部分的参数计算。3.2.1 功率开关管的设计设计时，首先确定输出的最大的电压和电流，根据设计要求，输出的电压为直流 24V

29、输出的电流为 4A，电源要求的效率 0.90，开关管承受的最大电压为输入电压的 2 倍。结合系统的参数要求，可以得到开关管的最大电流为：3.3.2 初级/次级的匝数计算高频变压器制作是否成功很大决定的除了磁芯的型号还有就是绕制的匝数，匝数直接关系到了输出电压幅值的大小。相应的初级变压器匝数计算公式为 3-5，次级的变压器匝数计算公式为 3-6。图 4-1 SG3525 驱动电路设计4.1.2 主功率变换电路设计DC-DC 推挽变换如图 4-2 所示，主体部分由变压器组成，两个大功率 MOS 管组成推挽结构，用来整流的两个二极管基于次级。设计的输出滤波电容为 1000uF，实际制作当中为了方便元

30、器件的封装以及减少器件的种类，采用 4700uF 的电容器，实际焊接的为设计 1000uF。C29 高频 CBB 电容主要用来滤除电路中的高频成分。指示灯 D5 用来指示输出电压的有无。图 4-2 DC-DC 推挽变换电路图4.2 电压检测电路设计电压检测电路图如图 4-3 所示。输出的电压经过 R27 和 R28 分压，然后再经过 C38 滤波。为了得到良好效果，将经过分压的电压经过两节的运放滤波最后输出给单片机。实际使用中发现这样单片机会有一定的延时，但是的电压精度很高。图 4-3 电能检测系统电路4.3 电流检测以及过流保护电路的设计过流保护电路如图 4-4 和 4-5 所示，由 ACS

31、712输出电流经过 LM358 整形、放大、滤波，输出一个和电流信号成比例的电压信号提供给单片机进行检测。当输出电流值大于4A 的时候，单片机马上输出控制指令关闭继电器，实现过流保护功能。只有重新上电以后才会有输出。图 4-4 过流保护电路图 4-5 电流信号调理电路4.4 主控制器电路设计主控器电路如图 4-6 所示，仅将主控制器部分的电路原理图贴出，电路复位、电源供应、等不做详细的介绍，详细完整的电路可以参照附件。 系统使用的单片机为STC12C5A60S2。图 4-6 主控制器电路4.5 液晶显示电路设计本系统主要采用 Nokia 5110 液晶作为显示器，该液晶是一个 84*48 的点

32、阵 LCD，最多可以显示 4 行汉字，传输速度最高可达 4mps，可支持多种通信协议，可全速写入显示数据，不需要等待时间。接口相当简单，只需要四根 I/O 线就可以驱动了，且工作电压为 3-5V，正常显示时工作电流极低，有掉电模块，可以采用电池供电，同时它也很方便携带。最后该液晶相对于 1602 液晶在功能上更加齐全，能够显示汉字，为了提高系统的效率，所以采用 Nokia 5110 液晶显示。图 4-7 辅助电源电路5程序的设计5.1 程序功能描述与设计思路为实现过流保护，需要主控对输出端进 AD 的实时。开发仿真使用 Keil和相应的uVi4 C 语言编程。开发语言采用 C 语言。程序一开始

33、先初始化设置 AD初始化信息显示，然后清除过流保护标志位。然后系统就进入主循环，不断的扫描外部按键的输入情况，并进行判断。电压和 P1.1 口的电压，并对完按键数值以后进入 AD，不断P1.0 口的的电压进行相应的数值处理和校验，最后显示在 Nokia5110 液晶显示屏上面。如果稳压电源的输出电流超过 3.5A 的时候，单片机可以马上到这个信号，迅速的断开继电器并发出声光。提醒用户注意外接的负载，液晶显示屏上面也会实时的显示该过流信息。蜂凝器发出 8 声信号以后，设备将自动接入负载，实现恢复功能。5.2 程序流程图主程序流程图如图 5-1 所示。程序初始化先设置 AD工作的模式，如的通道、速

34、率、的位数等。初始化完 AD 以后再初始化 Nokia 5110 液晶显示屏。然后就进入了按键判断和 AD的过程。程序不断电压和电流数据，并将其转换成为实际的电压和电流数据也就是数据校验，然后在液晶上面显示出来。如果到电流数据超过系统设置的数值，单片机马上发出信号，断开继电器，保护稳压电源系统。同时发出声光警报。连续的发出声光警报 8 次以后单片机会自动启动电路，继续输出电压，实现自启动功能。过流保护和没有过流保护的实时信息可以从液晶显示屏上面看出。在进行 AD功能的同时系统也会实时的扫描外部的按键，外部一共有两个按键，一个是用于控制背光灯的按键，一个是用于紧急输出情况的断开按键。当用户按下背

35、光控制按键的时候，系统会启动液晶显示屏的背光，演示大概 10S 左右自动关闭背光，实现一定的智能化控制。当外部输出出现比较紧急的情况的时候，用户可以按下紧急断开按键，系统会马上发出一个信号断开输出电源。同样是为了实现一定的安全考虑和智能化控制。详细的系统流程图如图 5-1 所示。开始初始化AD及液晶显示否是是否有按键按下？是AD并校验开启背光灯开启背光？否否关闭输出？是是输出过流？声光警报关闭输出否数据校验并显示图 5-1 主程序流程图初始化显示开机信息6测试方案与6.1 测试方案由于系统对电路效率有一定的要求，所以需要测量输入端、输出端电压、电流，方便检测电路效率，需要对输入回路电路进行检测。根据电路的示意图，从电路中各点引出接线端子，电压测量可以直接在被测点两端并联，用来检测并指标。分析供电系统各个6.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，示意图连接方式与硬件电路实际连接情况必须完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：直流电压测试采用数字万用表，型号：Fluke/15B，测试精度：0.001V；直流电流测试采用数字万用表，型号：Fluke/15B，测试精度：0.001A；6.3及分析6.3.1a.输出直流电压的测试 b.负载调整率的测试：表 6-1在 0.2 A2.5 A 范围内变化时的结果6