阙滨城开关稳压电源报告最.docx
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阙滨城开关稳压电源报告最
开关稳压电源设计报告
摘要：
作品以通用开关电源控制芯片SG3525为核心，采用资源丰富、低功耗的单片机C8051F020作为系统的主控芯片。
SG3525、专用MOS驱动MC34152、MOS管IRF61N15D以及高频变压器组成的推挽式升压系统，单片机通过其内部AD、DA和外扩键盘对系统输入输出电压电流进行实时采样和监测，并对输出电压程控调节。
系统以专用键盘管理芯片ZLG7920和点阵式液晶作为输入输出器件，操作灵活，界面友好。
经过测试，作品达到了题目基本要求和扩展要求的全部功能。
关键词：
SG3525、推挽式、C8051F020
一系统设计方案与论证
1.1各模块方案论证与选择
下面就DC/DC升压拓扑结构的选择和系统控制等关键模块的设计方案进行讨论与分析
1.1.1DC/DC升压
题目要求AC输入从15V到21V（经过整流滤波之后大约是DC20V到29V），输出30V到36V可调，这是一个DC/DC升压过程，下面就常见的几种DC/DC升压拓扑结构进行讨论和分析。
方案一：
并联式结构（如图一a）
该电路是升压电路最基本的拓扑结构，后续所有的升压电路都是从该电路演化过来的。
优点：
电路简单，外围所需的元件少，效率可以做到很高。
缺点：
电路功能单一，输出功率比较大时开关管需要承受很大的脉冲电流。
方案二：
单端正激式（如图一b）
该电路与方案一唯一区别是使用了变压器，可以做隔离式升压电路
优点：
电路相对简单（与后面叙述的方案相比），外围元件少。
缺点：
开关管关断时，变压器容易磁饱和，需要加上磁通复位电路。
方案三：
单端反激式（如图一c）
从原理图上看与正击电路很相象，但工作原理不同，脉冲变压器的原/付边相位刚好相反。
优点：
电路相对简单（与后面叙述的方案相比），外围元件少。
缺点：
由于变压器存在漏感，将在原边形成很大电压尖峰，可能击穿开关器件。
需要设钳位电路予以保护
方案四：
推挽（变压器中心抽头）式（如图一d）
这种电路结构的特点是：
对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断。
优点：
高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。
缺点：
如果电流不平衡，变压器有饱和的危险、变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。
方案五：
全桥式（如图一e）
这种电路结构的特点是：
由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边
主要优点：
与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。
主要缺点：
使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。
这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。
（a）并联式结构（b）单端正激式（c）单端反激式
（d）推挽（变压器中心抽头）式（e）全桥式
图一DC/DC升压拓扑结构
方案选择：
结合题目对电源功率、稳定度、纹波、效率、数字控制等功能要求与上述各方案的比较，也出于对时间、电路的复杂程度以及之前对各种电路熟悉程度的考虑，选择了推挽式结构做DC/DC升压，并且选用了美国通用公司的脉宽调制集成控制器SG3525做功率主控核心，内部框图见附图1。
1.1.2控制与显示
根据题目要求，需要对输出电流电压的采样显示和对输出电压的程控，所以系统中必须至少有两路AD和一路DA，为了减少控制电路的复杂性和额外的功耗，选择SILICON公司的低功耗单片机C8051020作系统主控电路，其内部集成了一个12位8通道AD和两路12位DA，当工作在2M的时钟下功耗小于1mW，由于显示的数据内容较多，我们选用低功耗的LM3033液晶作数据显示，电流采样电路中利用了微功耗、高线性度直流霍尔传感器，使采样控制电路与功率后级相互隔离。
1.2系统整体的最终方案
综合考虑以上各个模块的设计方案，开关稳压电源的系统结构框图如下图所示。
图二系统原理框图
二系统软硬件设计和实现
2.1硬件电路设计
硬件设计中主要包括器件选择、DC/DC升压功率电路、单片机系统电路、欠压、过压、过流保护电路和输入输出电压电流采样电路
2.1.1DC/DC升压电路
2.1.1.1器件选择与参数计算
根据题目要求和所选方案，选择SG3525做功率主控核心，由于SG3525的PWM输出级最大只能提供200mA的输出或吸收电流，不足以驱动MOSFET，专用双低管MOS驱动MC34152最大能输出1.5A的电流，也正好符合当前选择的推挽结构所需的两路驱动；在推挽结构中，MOS管关闭时需要承受至少电源电压两倍的电压值，根据题目要求，输入AC15V～21V，整流之后最高电压接近30V，MOS管的耐压一般要超过60V，因此所以我们就直接选择手上现有耐压150V、导通电阻只有28毫欧的IRFD52N15D；变压器选择了PQ4040磁芯，足以传输最大的功率，且输出选择了正向压降较低的肖特基做整流，与普通的整流二极管相比，在相同的电流下，可以降低一半的损耗
2.1.1.2功率控制电路的设计与参数计算
主回路原理图如下图：
图三主回路原理图
PWM调制芯片：
SG3525
主频设定：
设定开关管工作频率为50KHz，则调制芯片的振荡频率为100KHz，
变压器磁芯：
本设计是PQ4040在磁芯有足够余量的情况下设计的。
变压器设计：
根据法拉第定律可得：
，Up为输入电压的最高值，为28V；K是波形系数，方波的波形系数是4；开关频率我们定为50KHz；N是所要求的线圈匝数；B是磁芯所能承受（不饱和）的磁场强度，PQ4040磁芯（PC44材料）B值为0.2T；磁芯有效面积为201平方毫米。
所以有：
。
取原线圈为4匝+4匝。
设原边最小输入电压为16V，副边最大输出电压为42V，所以原副匝比2:
7，副线圈为14匝。
实际上由于绕制变压器工艺的限制，我们的变压器的原线圈是以绕满一层为止，前提是匝数不小于4，副线圈的匝数按匝数比来绕制。
后级滤波电感设计：
由磁通链可得：
，滤波电感磁芯采用PQ3230，其中B=0.2T，S=161平方毫米。
由于输出电压及电感上的压差大，一般让电路工作在非连续模式。
2.1.2单片机控制系统（数字设定及显示）电路设计
单片机是整个系统的控制核心，主要完成输入输出电压电流的采样与显示并且判断系统是否处于正常工作状态；单片机与键盘组合控制DA输出，程控系统的输出电压。
选用的SILICON公司的C8051020，其内部就集成了AD和DA，丰富的输入输出端口完全满足系统的所需要的控制与显示，其原理图详见附录中的附图2，键盘采用了专用管理芯片ZLG7290，能管理64个按键，当有按键按下时，INT引脚从高电平变为低电平，由此触发单片机中断，通知单片机有按键按下，键码通过I2C接口传给单片机处理。
其原理图详见附图3；系统显示采用LM3033液晶。
2.1.3电压、电流采样和欠压、过压、过流保护电路设计
利用精密电阻分压得到适合AD采样范围的电压进行采样；选用了低功耗的直流式霍尔电流传感器CM005进行输入输出电流的隔离采样；欠压、过压、过流保护主要有单片机完成，若单片机检测到输入电压或输出电流不在指定的范围内（电压是15V到30V，输出电流是0到2.5A），单片机将把SG3525的10脚拉置高电平，并发出警报和相应的提示，如果是输出过流，延迟1秒（防止振荡）之后单片机又使10脚拉到低电平，使SG3525恢复工作，如果检测到电流还是超过预设值则重复上述操作，直到过流状况消除，各有关电路详见附图4。
2.1.4效率分析与计算
开关电源的理想效率接近100%，但是由于开关器件、换能器件、导线等元件在工作时候有能量损耗，所以效率不可能做到100%，下面就对本开关电源的设计进行简单的效率分析及计算：
开关器件损耗：
有导通损耗和开关损耗，损耗与流入开关管电流、开关导通关断时间有关，假设开关管的导通及关断时间都是50nS，则开关管上的损耗为：
I2R*Ton*f+0.5*2*∫i2*R*50nS*f,为了简化计算，设36V输出时Ton=T/2,f=50K，在每个开关管上的损耗约为：
1.2I2R，在输入电流是20V、4A的时候，P损=0.62W，两管并行工作，则开关管效率为：
（80-0.62*2）/80=98.5%。
变压器损耗：
变压器的损耗分铁损和铜损，一般的高频变压器的最佳状态是铁损等于铜损，效率在95%-98%，设效率为96%。
整流和续流二极管损耗：
在连续工作模式下，两个整流二极管及一个续流二极管总是有一个会导通的，由于用的是快恢二极管，所以在输出电流为2A的时候，在二极管上的压降有1.3V左右。
输出电压36V时，整流及续流二极管的理想效率为：
36/（36+1.3）=96.5%，再加上开通和关断损耗，效率估计为95%。
综上所述，该开关电源的理想效率为：
98.5%*96%*95%=89.8%。
2.2软件设计
软件流程图如下图：
图四系统软件流程图
三测试数据与结果分析
3.1测试仪器：
（1）DH1718-5型双路跟踪稳压稳流电源
（2）YB2812LCR数字电桥
（3）TDS1012B数字示波器
（4）UT52型四位半万用表
（5）300W51Ω变阻器、100W1KΩ变阻器
3.2测试数据：
3.2.1、输出电压可调范围测试：
（测试条件RL=45Ω;测试电路框图如图五a）
经过测试，该电路的输出电压范围是20V到38V，有1V步进和0.5V步进。
下面列出的是30V—36V预设值和实际输出值的对比表：
预设电压
30V
31V
32V
33V
34V
35V
36V
实测电压
30.09V
31.09V
32.08V
33.08V
34.06V
35.09V
36.08V
3.2.2、最大输出电流测试及过流保护测试：
（测试电路框图如图五b）
经测试，该电路的输出电流可以达到2A以上，约2.5A电流输出时关断开关器件，进行过流保护，并发出警报。
在1秒后，电路将进行软启动，在排除过流故障的情况下能够进行自动恢复，否则继续过流保护。
该部分的功能达到了基本部分和发挥部分的要求。
3.2.3、负载调整率测试：
（测试条件U2≈18V，Vo=36V;测试电路框图如图五c）
测试数据：
输出电流
空载
0.2A
0.5A
0.8A
1A
1.5A
2A
输出电压
36.06V
36.05V
36.05V
36.03V
36.03V
36.02V
36.01V
负载调整率UI≈（36.06-36.01）/36≈0.14%远超出题目的发挥部分的指标。
3.2.4、电压调整率测试：
（测试条件Vo=36V，Io=2A;测试电路框图如图五d）
测试数据：
交流输入
15V
16V
17V
18V
19V
20V
21V
直流输出
36.07V
36.07V
36.08V
36.08V
36.08V
36.08V
36.09V
电压调整率Su≈（36.09-36.07）/36≈0.06%远超出题目的发挥部分的指标。
3.2.5、输出噪声纹波电压峰峰值测试：
用示波器的20ms/div、200mv/div的量程测量输出电压的纹波为200mV左右。
示波器测试图象见附件附图5。
3.2.6、DC/DC变换器效率测试:
（含单片机等控制电路;测试条件：
U2≈18V，Uo=36V,测试框图如图（五）e）
输入电压Ui
输入电流Ii
输出电压Vo
输出电流Io
效率
22.9V
1.001A
36V
0.55A
86.4%
21.9V
1.957
36V
1.056
88.7%
21.1V
2.898
36V
1.505
88.6%
20.7
4.025
36V
2.046
88.4%
（a）输出电压可调范围测试（b）最大输出电流测试及过流保护测试（c）负载调整率测试框图
（d）电压调整率测试框图（e）DC/DC变换器效率测试
图（五）测试电路框图
3.3测试结果分析：
作品的所有的功能指标都达到了题目的要求，效率也在低电流输出的时候效率比较高，说明静态工作电流设置得比较低，而且控制电路的功耗也比较低。
但大电流比较大的时候，效率下降了，一方面是由于铜损和磁损加大（可能变压器绕制上有些不足），另一方面是整流二极管在大电流的时候正向压降比小电流的时候大，损耗所占的比例加大，效率下降。
四结论
作品达到了题目所有基本和扩展的功能和指标的要求：
1、实现输出电压可调范围：
20V-38V
2、最大输出电流：
大于2A
3、U2从15V变到21V时，电压调整率为0.06%
4、Io从0变到2A时，负载调整率为0.14%
5、输出纹波峰峰值为200mV
6、DC/DC变换器的效率大于85%
7、具有过流保护，动作电流约为2.5A，且有自恢复功能
8、具有输入输出电压电流测量与显示
9、有过压、欠压保护功能
五问题及改进措施
1、在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题，导致整机会有一个100Hz的工频干扰。
改进措施是系统地线不能出现环路，所有地线最好一点接地，包括单片机的数字地和模拟地。
2、在变压器设计的时候，线圈匝数过多会出现铜损加大，虽然铁损减小了，但是得不偿失。
3、由于该电路的输出结构会使整流二极管要耐两倍以上的变压器输出电压，一般的100V的肖特基二极管不能满足整流要求，所以用上快恢二极管，这使得效率有所下降。
六参考文献
[1]王志强等《开关电源设计第二版》电子工业出版社2005.9
[2]曲学基等《新编高频开关稳压电源》电子工业出版社2005.7
五附件
5．1主要测试仪器
（1）DH1718-5型双路跟踪稳压稳流电源
（2）YB2812LCR数字电桥
（3）TDS1012B数字示波器
（4）UT52型万用表
5．2详细数据
5.2.1输出电压可调范围：
（单位V）（R=45Ω）
设定电压
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
输出电压
20.10
21.10
22.09
23.10
24.09
25.10
26.10
27.09
28.09
29.08
设定
电压
30
31
32
33
34
35
36
37
38
输出
电压
30.09
31.09
32.08
33.08
34.06
35.09
36.08
37.09
38.10
5.2.1电压调整率数据测量表：
（Vo=36V,Io=2A）（单位V）
U2
15
15.5
16
16.5
17
17.5
18
Vo
36.07
36.07
36.07
36.07
36.08
36.08
36.08
U2
18.05
19
19.05
20
20.5
21
Vo
36.08
36.08
36.08
36.08
36.09
36.09
5.2.3负载调整率测试数据（U2=18,Vo=30V、36V）（单位V）
输出电流Io
0.0A
0.5A
0.8A
1.0A
1.2A
1.5A
2.0A
2.5A
输出电压Vo
36.06V
36.05V
36.05
36.03
36.03
36.03A
36.02
36.02A
输出电流Io
0.0A
0.5A
0.8A
1.0A
1.2A
1.5A
2.0A
2.5A
输出电压Vo
30.05
30.04
30.04
30.04
30.03
30.03
30.03
30.03
5.2.4效率测试数据（U2≈18V，Uo=36V,）
输入电压Ui
输入电流Ii
输出电压Vo
输出电流Io
效率
22.9V
1.001A
36V
0.55A
86.4%
21.9V
1.957
36V
1.056
88.7%
21.1V
2.898
36V
1.505
88.6%
20.7
4.025
36V
2.046
88.4%
5．2系统部分程序
voidGet_AD（void）{
AMX0SL=0x00;
long_delay（12）;re_ad0=result;
AMX0SL=0x01;
long_delay（12）;re_ad1=result;//电压
AMX0SL=0x02;
long_delay（12）;re_ad2=result;
AMX0SL=0x03;
long_delay（12）;re_ad3=result;
/**/
}
voidADC0_ISR（void）interrupt15{
staticunsignedint_dec=INT_DEC;//integrate/decimatecounter
staticlongaccumulator=0L;//here'swhereweintegratethe
AD0INT=0;//clearADCconversioncomplete
accumulator+=ADC0;//readADCvalueandaddtorunning
int_dec--;//updatedecimationcounter
if（int_dec==0）
{
//ifzero,thenpostresult
int_dec=INT_DEC;//resetcounter
result=accumulator>>7;
accumulator=0L;//resetaccumulator
}
}
voidmain（void）{
unsignedshortt0=0,t1=0,t2=0,t3=0;
unsignedshortVOUT=0;
unsignedshortvt0=0,vt1=0,vt2=0,vt3=0;
floatv=30;
MCU_init（）;
DAC0_init（）;
ADC0_init（）;
Timer3_Init（SYSCLK/SAMPLE_RATE）;//initializeTimer3tooverflowat
LCD_Init（）;
I2C_Init（）;
Serial_initialize（）;
lcd_puts（"输入:
",0x80）;lcd_puts（"输出:
",0x84）;
lcd_puts（"A",0x92）;lcd_puts（"V",0x8a）;lcd_puts（"A",0x96）;lcd_puts（"V",
0x8e）;
P3IF=0x00;
EIE2|=0x10;//允许外部中断6
//EIP2=0x10;//中断优先级high
AD0EN=1;
EA=1;
DA0_Update（4094）;
isCurProtect=0;
isVLProtect=0;isVHProtect=0;
PROTECT=0;ALARM=1;
while
（1）
{
Get_AD（）;
t0=re_ad0&0xffff;
t1=re_ad1&0xffff;
t2=re_ad2&0xffff;
t3=re_ad3&0xffff;
vt0=AD02AOUT（t0）;vt1=AD12VOUT（t1）;
vt2=AD22AOUT（t2）;vt3=AD12VOUT（t3）-30;
Protect_detect（）;//保护检测
/**/
disp_float（vt1,0x8c,1）;
disp_tf（vt0,0x94,2）;
disp_float（vt3,0x88,1）;
disp_tf（vt2,0x90,2）;
//lcd_puts（itoa（t2）,0x98）;//@@@@@@@@@@@@
//printf（"%d\n",atoi（"123"））;
//lcd_puts（itoa（t0）,0x82）;lcd_puts（itoa（t1）,0x92）;
//lcd_puts（itoa（t2）,0x8c）;lcd_puts（itoa（t3）,0x9a）;
Get_Input（）;
if（KeyNum>=38）
KeyNum=38;
elseif（KeyNum<=20）
KeyNum=20;
v=KeyNum*106.4;
DA0_Update（（unsignedshort）v）;//DA输出控制电压
}
}
5．3各模块原理图
附图
（1）SG3525内部框图
附图（23）C8051FO2O原理图
附图（3）键盘原理图
附图（4）电压电流采样电路
附图（5）示波器测试的纹波图象
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