开关稳压电源.docx
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开关稳压电源
测控电路设计
专业：
测控技术与仪器
班级：
08
姓名：
学号：
目录
一、设计思路………………………………………………………1
二、方案设计………………………………………………………2
1.DC-DC主回路结构的方案选择………………………………2
2.控制方法的方案选择…………………………………………3
3.电流工作模式的方案选择……………………………………3
三、单元电路设计…………………………………………………4
1.并联开关电路形式……………………………………………4
2.三角波产生电路………………………………………………5
3.脉宽调制信号电路……………………………………………6
4.采样电路及误差比较放大电路………………………………7
5.电源变换电路…………………………………………………8
6.总原理图………………………………………………………9
7.调试结果………………………………………………………9
四、小结………………………………………………………………10
开关稳压电源
一、设计思路
本系统将220v交流电压转化为稳定直流电压输出。
经上网查询得知，开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。
经考虑得出采用调宽式，原理如图1。
图1
对于矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。
直流平均电压Ｕo可由公式计算，即Uo=Um×T1/T
式中Um—矩形脉冲最大电压值；T=矩形脉冲周期；T1=矩形脉冲宽度。
从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。
这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。
所以电路组成如图2：
由AC-DC变换电路、DC-DC变换电路、设定与显示电路、保护和测量电路等四部分组成。
AC-DC变换电路：
由自耦变压器、隔离变压器、桥式整流堆、和滤波电容等元件组成，可以在隔离变压器副边输出15～21Ｖ的电压，滤波后给DC-DC提供直流电压。
DC-DC变换电路:
采用Boost型拓扑结构，含有运放构成的固定频率脉宽调制电路,快速场效应管、电感等。
本系统通过调节取样电阻形成闭环反馈回路，采样康铜丝上的电压反馈为输入端。
本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等优点。
图2
二、方案设计
2.1DC-DC主回路结构的方案选择
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。
输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案：
方案一：
串联开关电路形式。
开关管Q1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。
该电路属于降压型电路，达不到题目要求的30--36V的输出电压。
方案二：
串并联开关电路形式。
实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。
用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂。
方案三：
并联开关电路形式。
并联开关电路原理与串联开关电路类似，但此电路为升压型电路，开关导通时电感储能，截止时电感能量输出。
只要电感绕制合理，能达到题目要求的30--36V，且输出电压Uo呈现连续平滑的特性。
鉴于本题只需升压，故选择方案三。
方案三电路结构如图3。
图3
2.2控制方法的方案选择
方案一：
采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。
根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。
负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。
该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。
方案二：
采用集成运放芯片。
响应速度快，死区时间可以调整，输出级为推挽式结构，驱动能力较强。
通过深度负反馈原理构成误差放大器，电压比较器和三角波产生器。
误差放大器用于为闭环控制，调整速度快。
电压比较器提供PWM信号，保证稳定输出电压。
三角波产生器构成信号产生电路，给电压比较器输出恒频三角波。
鉴于题目设计要求，选用方案二。
2.3电流工作模式的方案选择
方案一：
电流连续模式。
电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。
方案二：
电流断续模式。
断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。
由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。
鉴于设计要求分析，本设计采用方案二。
三、单元电路设计
3.1并联开关电路形式
图4
并联开关电路形式为Boost变换器（图4）。
该是DC-DC变换器中、最易于实现的、最常用的、最成熟的和输出电压等于或小于输入电压的非隔离型变压电路，且输入与输出负端是公共端。
因为开关频率F对DC-DC电路的效率影响很大。
若F太低，充电电感、充电电容的体积太大，在保证充电电感量的前提下，线圈匝数增多，铜损耗加大。
若F太高，可使充电电感和电容体积缩小，重量减轻，但充电电感的涡流损耗、磁滞损耗及其他元器件的分布参数的影响加大造成损耗加大。
开关频率F的选择必须综合考虑诸多因素。
当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。
电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。
线径的选择主要由本系统的开关频率确定。
开关频率越大，线径越小，但是所允许经过的电流越小，并且开关损耗增大，效率降低。
本系统采用的频率为44K，查表得知在此频率下的穿透深度为0.3304mm,直径应为此深度的2倍，即为0.6608mm。
选择的AWG导线规格为21#，直径为0.0785cm（含漆皮）.磁芯选择铁镍钼磁芯，该磁芯具有高的饱和磁通密度，在较大的磁化场下不易饱和，具有较高的导磁率、磁性能稳定性好（温升低，耐大电流、噪声小），适用在开关电源上。
开关管的选择：
本设计中开关速度要求特别快，导通电阻要小，而且要求承受的电流也特别大。
最终选择了IRF540，该芯片Ron=44毫欧，允许电流为33A,Vds=100V,能够实现要求。
3.2三角波产生电路
图5
三角波产生电路包括同相输入迟滞比较器和积分器两部分（图5）。
同相输入迟滞比较器输出端产生方波，积分器对输入的方波信号进行积分，由于正反向积分常数时间相等，故方波输入后变成同频三角波进行输出，由于三角波振幅太小，增加一级反相比例放大电路，使之符合要求。
经计算可以求的振荡周期如下：
T=T1+T2=2*R1*R4*C1/R3+2*R1*R4*C1/R3
T=4*R1*R4*C1/R3
若方波输出端有稳压管的情况下，可以分别求出上下门限电压和门限宽度，如下所示：
VT+=R1/R3*VZ
VT-=-R1/R3*VZ
△VT=（VT+）-（VT-）=2*R1/R3*VZ
若积分器输出三角波最大值未超过运放输出电压最大值，则积分公式如下：
VI-VO=1/C*∫IdT=1/C*∫V/R*Dt
VO=-1/RC*∫VdT
上式表明，输出电压为输入电压对时间的积分，负号表示信号是从运放的反相输入端输入的。
输出级加入反相比例放大电路，其放大倍数计算如下：
VO=R8/R9*VI
由以上公式可得，输出三角波频率越高，其振幅越小。
故在三角波输出级加入反相比例放大电路，是输出信号成为振幅符合要求的三角波信号。
调试结果如图6
图6
3.3脉宽调制信号电路
此处运放工作在非线性区，采用比较器电路。
三角波信号输入后，与预设电压进行比较后，产生脉宽调制信号，即PWM。
可易知脉宽受控于预设电压值。
其脉冲波形占空比为：
D=TW/T*100%
由此可见，通过调节占空比即可调节输出电压值。
其计算公式如下：
VO=VI*T/（T-TW）=VI*1/（1-D）
经仿真实际测量相关参数：
LowV=0VHighV=5VRiseTime=1USFallTime=1USFrequency=44KHZ
占空D
38%
40%
42%
44%
46%
48%
50%
输出U
29.3V
30.4V
31.5V
32.7V
34.0V
35.4V
36.9V
3.4采样电路及误差比较放大电路
误差比较放大电路为系统构成闭环反馈环路的关键部分。
此处为减法电路和反相比例放大电路构成。
减法电路第一级为反相比例放大电路，第二级为反相加法电路。
由于运放工作在深度负反馈的情况下，计算参数如图7。
由于比较器输入信号为反相信号，故此处增加反相器。
其作用不仅仅改变信号极性，而且具有调节比较器输入信号振幅的作用，从而易于改变脉宽调制电路的占空比。
在本设计中有些电阻要流大电流，功率要求特别大，所以在大电流处一定要选择功率大的电阻。
康铜电阻的大小选择：
康铜丝主要起两个作用，过流保护和测试负载电流。
康铜丝接在整流输入地和负载地之间，越小越好，这样会使两个地之间的电压很小。
但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判，并且对于后级运放的要求比较高。
图7
3.5电源变换电路
根据题目设计要求为单电源，而本设计多是双电源运放（图8），故必须增加电源转换电路。
此处仍旧采用运放深度负反馈原理，构成的具有稳定输出电压的双电源供电系统。
采用三端集成稳压器进行稳压，具有输出电压纹波小，响应速度快等优点。
图中前端的稳压电源选择特别重要，这里是引来给芯片供电的，若选得太小，在调输入电压时会引起芯片的工作不稳定。
经过多次调试后选择了一个18V的稳压源，在题目要求的调节范围内不会影响芯片工作，能够满足题目的要求。
图8
3.6总原理图
原理图如图9
图9
3.7调试结果
调试结果为图10
图10
四、小结
采用并联开关式稳压电路，电路中的并联调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。
由于管子的饱和导通时管压降VCES和截止时管子的电流ICEO都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可以提高到80-90%，所以其体积小、重量轻。
由于上述优点突出，从而在市场应用中日趋主流。
通过本次课程设计使我接触到PROTEUS7.5软件，并进行了实际操作，其间掌握了该软件的基本操作，如电路仿真等。
同时还巩固了测控电路的一些基本电路结构，如同相滞回比较器、积分电路、反比例放大电路等。
对各个器件的特性有了新的认识和了解。
在本次课程设计中，我重温了很多原来学过的知识，如模拟电子技术、数字电子技术等课程的知识。
其间我也遇到了很多困难，在老师指导和同学的帮助下，终于将其攻破。
在此感谢老师和同学们的热心帮助。
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