开关稳压电源.docx
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开关稳压电源
设计指标：
1.输出电压
可调范围：
30～36V；
2.最大的输出电流
：
2A;
3.
从15v变到21v，电压调整率
<2%
4.
从0A变到2A，负载调整率：
<5%（
=18v）;
5.DC-DC变换器的效率
>70%（
=18v,
=36v,
=2A）;
6.具有过流保护的功能，即继电器的动作电流为2.5A。
设计要求：
1.DC-DC变换器的输出电压高于输入电压，因此需要一个升压斩波电路
2.功能要求该开关稳压直流电源应具有输出电压同步可以调、键盘设定；过流保护，出现故障后能自动恢复正常，同时能具有输出电压，电流的测量与显示的功能
3.对于各个模块必须要自制辅助电源来供电，而且效率不能太低。
输入和输出必须没有直接的电气隔离，而且输入端已有隔离变压器隔离，因此无直接的电气隔离电路。
方案讨论
根据上述的要求，不难构建系统的整体框架图，220V交流电压经过隔离、降压、整流、滤波后，得到比较稳定的直流电压，在经过DC-DC电路升压后再滤波得到比较平滑的直流输出电压，输出电压、电流经过检测元件、AD转换芯片进行采样，经过运算后就可以得到需要的PWM信号去驱动功率开关，当检测到电流到达到2.5A时，单片机发出命令前级处理电路的继电器，从而使供电中断，可靠的实现电路的安全。
综上所述，我们可以得到总的原理框图
2、控制部分
控制部分主要完成输出电压的键盘设计与步进，以及电压电流的液晶屏幕的显示，主要以单片机为控制中心开展工作，围绕单片机可以很容易地实现过流过压功能。
单片机控制方框图（4-1）所示。
图（2-1）单片机系统最小系统
单片机可以选用51系列的单片机，通过AD将输入电压、输出电压和电流进行采样，单片机还完成对键盘的控制和液晶屏的显示功能。
输出电流的采样依靠串联在输出回路的采样电阻完成，为了减少损耗，采样电阻采用温度特性好的康铜丝绕制，阻值0.1欧姆左右，经差动放大器INA148送入A/D,计算处理得到负载回路的电流值。
这种检测输出电流的方案稳定可靠，精度高。
当检测到输出电流达到2.5A时，单片机发送断开前级处理电路的继电器，从而使供电中断，可靠地保护电路的安全。
采用延时恢复技术实现故障排除后自动恢复功能。
为了使输出电压在30~36V间步进可调，我们用数字电位器X9312做采样电阻R2，通过调整其阻值改变输出电压幅度。
X9312为10K、100档数字电位器，足够满足题目输出30~36V可调的要求。
X9312和其串联的5K欧姆的电阻R1两端电压受UC3843调节，X9312两端电压等于UC3843内部基准电压Uref=2.5V,因此调整数字电位器阻值，即可调整输出电压幅值。
根据测试精度要求和现有的实际情况选用合适的A/D，可选用8bit串行模数转换器ADC0832，用于采样电流值。
单片机接收A/D转换器的数据并定时刷新，通过内部处理得出实际的电压电流值，实现实时采样和电压电流值的显示。
为了提高实时检测的精度，对所测数据求平均以减少干扰。
2.1人机交互及保护电路设计
人机交互主要完成输出电压的键盘设定和步进、输入电压、输出电压与电流的测量与显示过流等功能。
其系统实现方框（2-2）所示
图（2-2）人机交互界面
本设计单片机最小系统由时钟电路、复位电路、片外RAM、片外ROM、按键、数码管、液晶显示、ADC、DAC及外部接口等组成。
图（4-3）为单片机最小系统结构框图。
图（2-2）单片机最小系统结构框图
2.3芯片及功能介绍
2.3.1ADC模数转换芯片0832
AD转换芯片0832是8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于其体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者喜欢，目前有很高的普及率。
下图（4-4）为AD转换芯片0832的引脚图。
图（2-4）AD0832的引脚图
芯片接口说明：
CS片选使能，低电平芯片使能；
CH0模拟输入通道0；
CH1模拟输入通道1；
GND芯片参考0电位；
DI数据信号输入，选择通道控制；
D0数据信号输出，转换数据输出；
CLK芯片时钟输入；
Vcc/Ref电源输入及参考电压输入。
2.3.2DAC数模转换芯片0832
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，下图（4-5）为DAC0832芯片的引脚图。
图（2-5）DAC数模芯片0832
DAC0832芯片的引脚说明：
D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
CS：
片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
WR1：
数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
XFER：
数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
WR2：
DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
IOUT1：
电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
IOUT2：
电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
Rfb：
反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
Vcc：
电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；
VREF：
基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
AGND：
模拟信号地；
DGND：
数字信号地。
2.3软件设计
系统软件主要由主程序、键盘扫描子程序、显示子程序和AD及D/A转换子程序等组成，其流程图（4-6）所示。
上电后，系统进行初始化，然后调用取样子程序，检测当前电压和电流进行显示，调用过流子程序，若过流则断电，延时后电源重新启动，否继续检测键盘。
3.1DC-DC升压变换器设计
3.2.1DC-DC升压变换器的功能及组成元件
DC-DC变换器的功能是将一种电压的直流电变换为另一种或几种电压的直流电。
其电路主要由UC3843芯片来实现。
3.2.2DC-DC升压变换电路所用芯片的管脚图及其功能表
UC3843芯片管脚图如下所示：
图3-2-1
其内部简图如下：
图3-2-2
UC384功能表如下图所示：
管脚
功能
说明
1
补偿
该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。
2
电压反馈
该管脚是误差放大器输入，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出。
3
电流取样
一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用此信息终止输出开关的导通。
4
RT/CT
通过将电阻RT接到Vref以及电容CT接至地，使振荡器的频率和最大输出占空比可调。
工作频率可达500KHZ.
5
地
该管脚是控制电路和电源的公共地。
6
输出
该输出直接驱动功率管MOSFET的栅极，高达1.0A的峰值电流
经此管脚拉和灌。
7
VCC
该管脚是控制集成电路的正电源。
8
Vref
该管脚为参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供供电电流。
表2-2-1
3.2.3DC-DC升压变换电路工作原理
DC-DC升压变换电路原理图如下所示：
DC-DC升压变换电路工作原理：
1脚是补偿端，外接电阻电容元件以补偿误差放大器的频率特性。
第2脚是反馈端，将取样电压加至误差放大器的反向输入端，再于同向输入端的基准电压进行比较，输出误差控制电压。
第3脚接过流保护电阻组成过流保护电路。
RT/CT锯齿波振荡器定时电阻和电容的公共端，内部基准电压为Vref=5V。
它内部有两个闭环反馈实现稳压，当按上图所示接线通电后，一部分从A点取得的反馈电压输入误差放大器的反向输入端2脚，与基准电压比较产生控制电压，控制6脚输出脉冲的占空比，使开关管MOSFET占空比改变，从而使输出恒定。
另一部分为电流内环，即通过开关管的源极到公共端间的电流检测电阻RS,使开关管导通期间流经电感L的电流在RS产生的电压送至TPWM比较器同相输入端，与误差信号进行比较后控制脉冲的宽度，利用反馈原理，保持稳定的输出电压。
3.2.4DC-DC升压变换电路参数的选择与计算
1.电路开关频率fS选择
电路开关频率fS对DC-DC电路的效率影响很大。
若fS太低，充电电感.电容的体积太大，在保证充电电感量的前提下，线圈的匝数增多，铜损耗加大。
若fS太高，可使充电电感.电容的体积缩小，重量变轻，但充电电感的涡流损耗.磁损耗及其他元器件的分布参数的影响加大造成的其他元件损耗加大。
综合考虑，本设计选定fS=49HZ。
2.确定最大占空比Dmax
Dmax=（U0-Ui）/U0=（36-23.4）/36=35%
3.充电电感L1的计算
L1≥2（U0-US）D（1-D）/I0*fS=2（23.4-0.9）*0.35*（1-0.35）/2*4900=105（uH）
同时考虑在10%额定负载以上电流连续的情况，实际设计是时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的20%-30%，取30%为平衡点，即
△IL=30%*IL（平均）=30%*I0/（1-D）=0.3*2/（1-0.35）=0.923（A）
于是L1=（Ui-US）/△ILfS=（23.4-0.9）/0.932*49000=497（uH）
流过电感L1的峰值电流
ILr=1.15*I0/（1-D）=1.15*2/（1-0.35）=3.54（A）
取充电电感线圈载流量为2A/mm2
导线的截面积S=ILr/2=3.54/2=1.77（mm2）
导线直径d=√（4S/∏）=1.5（mm）
4.电容C2选择
输出滤波电容的选取决定了输出纹波电压，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。
电容的ESR﹤△U0/△IL=36*1%/0.923=0.39Ω.
另外，为了满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容应满足
CL=U02DT/△U0I0=362*0.35/36*1%*2*49000=1286（uF）
为了降低纹波，采用2只1000uF/50V高频特性良的CD288电解电容并联使用。
5.开关管S的选择
开关管S的峰值电流为3.54A,耐压选择大于40CV以上。
为增高效率，应选用动态电阻较小的MOS场效应管，为了提高可靠性，电压电流的余量要足够。
所以选择容易购买的IRFP250,耐压大于200V,允许最大电流为30A,导通动态电阻为0.75Ω.
6.续流二极管的选择
为了高效率和可靠性，选用MUR3020快恢复软特性二极管，耐压200V,最大电流为30A.
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