开关稳压电源毕业设计.docx
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开关稳压电源毕业设计
河南工业职业技术学院
毕业设计任务书
类 别：
三年制高职
专业：
电子信息工程
班级:
姓名：
毕业设计题目：
开关稳压电源
指导教师姓名：
2011年3月17日
4系统的软件设计.....................................17
5系统测试...............................................................................21
5.1测试方法与数据分析...............................23
5.2电压调整率的测量方法...........................23
5.3输出纹波的测定..............................23
5.4电源效率的测量...................................23
6心得体会
摘要
基于电路设计的要求，开关稳压电源电路主要由隔离变压、整流滤波、DC-DC变换器、控制系统、显示等电路模块组成。
选择了Boost升压变换器实现DC-DC变换，电路结构简单，转换效率高；选用小导通电阻、高开关速度的IRF640管为开关管，选用快速恢复二极管RHRP15120整流，减少反向导通时间，降低损耗。
控制系统选用单片机ADuC812和脉宽调制控制器SG3525通过双闭环回路共同控制DC-DC变换电路，实现输出电压稳定、可调；SG3525产生高频脉冲控制DC-DC变换，ADuC812实现显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对ADuC812进行控制、显示和人机交换等功能。
以凌阳16位单片机为控制核心，具有电压可预置；可步进调整；输出电压、预置电压、输出电流同时显示；过流保护及自动恢复功能。
并较好的完成了基本和发挥部分的各项指标。
另外又增加了30V-36V精确调整、语音播报及人性化的声光警示功能。
系统主要包括：
凌阳SPCE061A精简开发板、键盘与LCD显示电路、整流滤波电路、开关控制电路、反馈控制电路等。
通过实验验证电路实现了设计要求的全部基本指标，并且DC-DC变换效率达到85%。
电路设计还有很多不足，各项设计指标还有待进一步提高。
关键词：
开关稳压电源的结构、设计开关管滤波电容储能电感
Designbasedoncircuit,switchmodepowersupplycircuitconsistsofisolatingtransformer,RectifierfilteringandDC-DCconverters,controlsystems,displaysandothercircuitmodules.SelectaBoostboostconverterimplementsDC-DCtransform,circuitstructuresimple,theconversionefficiencyishigh;usesmallon-resistance,highswitchingspeedIRF640tubeforswitchingvalve,choosefastrecoverydiodeRHRP15120rectifier,reducingreverseconductiontime,reducelosses.ControlsystemsuseSCMADuC812andPWMcontrollerSG3525throughcommondoublelooploopcontrolcircuittoachieveDC-DCoutputvoltagestability,adjustable;SG3525togeneratehighfrequencypulsecontrolDC-DCtransform,ADuC812showing,A/DandD/Aconversion,over-currentprotection,voltagefeedbacksignal,control,displayADuC812andhumanexchange,etc.ToSunplus16bitMCUcoreforcontrol,withthevoltagecanbepreset;steppingadjusting;outputvoltage,presetvoltage,outputcurrentattheshow;overcurrentprotectionandautomaticrecoveryfeature.Andbettercompletedbasicandplaysomeoftheindicators.Additionallyadded30V-36Vpreciselyadjust,voicebroadcastandhumanizationofsoundandlightalarmfunction.Thesystemmainlyincludes:
SunplusSPCE061AstreamlineDevelopmentBoard,keyboardandLCDdisplaycircuit,Rectifierfiltercircuit,switchcontrolcircuits,feedbackcontrolcircuits,etc.ThroughtheexperimentalvalidationofcircuitenablesthedesignrequirementsofallbasicindicatorsandDC-DCtransformationefficiencyreaches85%.Circuitdesigntherearestillmanyshortcomings,thedesignofindicatorshaveyettobefurtherenhanced.
Tags:
switchingpowersupply'sstructure,designswitchtubefiltercapacitorinductance
引言
开关稳压电源（以下简称开关电源）问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。
随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30％~40％。
因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模集成（ultra-large-scale-integrated-ULSI）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。
因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。
此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。
电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛地应用。
开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个直流稳压电源设计图单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度开关稳压电源原理图；后者是一个电压、电流双闭环控制系统，电流控制型较电压控制型有不可比拟的优点。
前言
开关电源的电路组成,工作原理及其优点开关电源的工作原理
开关电源有许多种，像正激式、反激式、半桥式、等等。
不管什么式，它都是把直流电变成脉冲式的交流电，或控制脉冲的频率达到稳压的目的，或控制脉冲的脉宽来达到稳压的目的，各种程式各有优点。
不同的开关电源有不同的用途。
开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是效率高、功率密度高、可靠性高。
PWM电路常选用电流控制型。
该脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率开关管的通断状态来调节输出电压的大小，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器的电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
假如电源电压变化或负载发生变化使输出电压升高时，则脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，即减小输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，斩波后的电压平均值下降，从而达到稳压目的，反之亦然。
开关电源与线性电源的区别：
线性电源，开关电源区别
线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。
开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（75％以上）而且省掉了大体积的变压器。
但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波（50mVat5Voutputtypical），在输出端并接稳压二极管可以改善，另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串连磁珠加以改善。
相对而言线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小（5mV以下）。
对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方（例如电容漏电检测）多选用线性电源。
另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DC－DC来做对隔离部分供电（DC-DC从其工作原理上来说就是开关电源）。
还有，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦
开关电源和线性电源在内部结构上是完全不一样的，开关电源顾名思义有开关动作，它利用变占空比或变频的方法实现不同的电压，实现较为复杂，最大的优点是高效率，一般在90％以上，缺点是文波和开关噪声较大，适用于对文波和噪声要求不高的场合；而线性电源没有开关动作，属于连续模拟控制，内部结构相对简单，芯片面积也较小，成本较低，优点是成本低，文波噪声小，最大的缺点是效率低。
它们各有有缺点在应用上互补共存！
1系统方案设计与论证
1.1设计思路
基于题目的基本要求，可以采用图1所示的方案。
系统主要由隔离变压、整流滤波、DC—DC变换器、控制系统、显示等电路模块组成。
隔离变压模块实现220VAC变压为18VAC，再经整流滤波电路转换为直流电压；控制器模块实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、DC—DC电压输出控制和稳压、显示、人机交换等功能;过流保护电路实现输出电流过流保护功能；同时，电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。
1.2方案的论证
1.2.1DC-DC主回路
设计的要求是进行升压变换，选择了Boost变换器。
Boost换器电路结构简单，由开关管、二极管、电感、电解电容等元件组成，便于进行电路设计，稳压性能优，并且转换效率高。
原理图如图2所示。
1.2.2控制方法及实现方案
控制系统有两种设计方案：
（1）方案一：
单片机来实现整个系统的控制。
该方案的优点：
布线简单，硬件设计节省时间；
该方案的缺点：
⒈控制软件编程工作量大、难度大；
⒉所有的控制都由单片机来实现，对单片机的硬件资源要求很高；
⒊该设计要求对DC-DC变换器实现PWM控制的开关频率至少要为100KHZ，这是单片机难于实现的。
（2）方案二：
单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。
该方案的优点：
⒈控制系统软件编程工作量较小，难度不大；
⒉用脉宽调制型控制器实现PWM控制，产生频率为100KHZ的脉冲较容易，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性好；
⒊单片机控制的任务较轻，对单片机硬件资源要求不高。
该方案的缺点：
⒈硬件电器设计难度较大；
⒉电路板布线工作量较大。
经过方案比较与论证，最终确定用方案二-----单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。
系统的组成框图如图2所示，脉宽调制器产生高频脉冲直接控制DC-DC变换模块，单片机实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对脉宽调制器进行控制、显示和人机交换等功能;过流保护电路使负载电流不超过2.5A；负载电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。
1.2.3提高效率的方法及实现方案
设计电路时，采取了以下方法降低损耗，提高DC-DC转换效率：
⑴通过提高工作频率，让工作频率达到100KHZ；
⑵选用小导通电阻、高开关速度的MOSTET，降低MOSFET开关损耗。
选用了IRF640（VDSS=200V，RDS（on）<0.18Ω，ID=18A）
⑶选用快速恢复整流二极管，减少反向导通时间，减少损耗。
选用了肖特基二极管RHRP15120，恢复时间trr<65ns。
2电路设计与参数计算
系统总原理图
2.1DC-DC回路器件的选择及参数计算
根据设计任务的要求---电感电流连续模式的Boost变换器，输入电压Vs=18～24V，输出电压Vo=12V，5V输出电流Io=0～2A,开关频率fs=100kHZ,设定纹波电流ΔVo＜1V，分别计算电感、电容器和二极管的参数：
2.2控制电路设计与参数计算
控制系统是设计的关键部分，由单片机系统和脉宽调制控制器共同来控制DC-DC变换电路，实现电压稳定输出，达到设计的所有指标。
单片机选用高集成度自带D/A和A/D转换的单片机ADuC812；脉宽调制控制器选用具有欠压锁定、系统故障关闭、软起动延时PWM驱动等功能的SG3525芯片。
控制系统的电路图如图3所示，采用双闭环控制电路来实现输出电压稳定。
负载的电压经R1取样反馈到SG3525的引脚1端（误差放大器反向输入端）；单片机ADuC812采集R1取样电压，通过软件进行PID调节，D/A转换后反馈到SG3525的引脚2端（误差放大器同向输入端）；SG3525的引脚1、2的电压通过芯片内部误差放大器比较并输出误差电压Vea，Vea通过比较器与锯齿波进行比较，11脚输出一个脉宽可变的PWM脉冲来调节DC-DC变换电路，最终实现输出电压稳定、可调。
2.3保护电路设计与参数计算
如图3当电路稳定输出36伏，若流经负载的电流为2.5安，R7（阻值0.3欧，康铜丝扰制）的压降为0.75V，即第10引脚电压为0.75伏，触发PWM输出关闭，实现了电路过流保护功能，动作电流为Io（th）=2.5+0.2A。
2.4数字设定及显示电路的设计
数字设定及显示功能由单片机ADuC812来实现，具体的电路设计和控制程序见附录。
通过按键设定送到SG3525的电压、调节数码管的显示模式,按键详细功能如下:
键1:
模式键-----切换上升/下降功能、电流显示和电压显示。
键2:
上升
键3:
下降
3测试方法与数据
3.1测量输出电压U0可调范围
通过调节给定变阻器或D/A输出电压调节SG3525第2脚输入给定电压,用数字万用表测量输出端可稳定输出30～36V。
调节第2脚电压，测得输出电压的实验数据如表1所示。
2脚电压（V）
1.98
1.92
1.87
1.83
1.76
1.70
1.65
输出端电压（V）
36
35
34
33
32
31
30
表1输出电压调可调范围
3.2测量输出电流Iomax
选用18欧大功率电阻,在直流输出电压为36伏时,通过万用表测得输出电流达到2A。
3.3测量电压调整率SU
DC-DC模块，输入电压U2从15V变到21伏，输出电流为2A时，对应的输出电压Uo和电压调整率SU实验数据如表2所示。
U2（V）
15
16
17
18
19
20
21
Uo（V）
35.29
35.31
35.34
35.92
36.65
36.68
36.71
SU
1.97%
1.92%
1.83%
0.22%
1.82%
1.89%
1.96%
表2电压调整率SU实验数据
3.4测量负载调整率SI
负载空载时,输出端电压为12V；负载电流为2A时,输出端电压为5V。
可计算出电压调节率3.61%＜5%
3.5测量输出噪声纹波电压峰峰值
先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大观察和测量（自动测量或光标测量均可），同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析最大纹波电压（用纹波电压峰峰值表示）。
当输出电压为36V时，不同时段经多次测量纹波峰峰值Uopp≤1V。
1系统框图
图1系统框图
2方案比较与论证
2.1DC-DC变换电路的选择
方案一：
单端正激式变换器
该种方式电路结构简单，但其变压器利用率低且结构复杂，不适合自己绕制,体积也较大。
方案二:
双管正激式变换器
双管正激变换器由于具有开关电压应力低，内在抗桥臂直通能力强，可靠性高,变压器利用率高体积小等优点，被广泛应用于高输入电压的中、大功率等级的电源产品中。
因此系统采用方案二。
2.2控制方案的选择
方案一：
采用AT89C51作为控制器
采用AT89C51单片机进行控制。
AT89C51价格低廉，结构简单,且资料丰富；但是51单片机系统资源有限，8位控制器，运算能力有限,且没有内置AD/DA转换器，需要外接大量外围电路，编程需要价格昂贵的编程器及仿真器，不便于系统开发。
方案二：
采用凌阳SPCE061A作为控制器
采用SPCE061A单片机进行控制。
SPCE061A凌阳单片机具有强大功能的16位微控制器，它内部集成7路10位ADC和2通道10位DAC，可以直接用于电流电压采集，以及数字控制输出；且其存储空间大，能配合LCD液晶显示的字模数据存储及语音的存储。
采用SPCE061A单片机，能将相当一部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性能提高。
本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成数控部分、键盘输入、语音播报以及显示输出功能。
系统采用方案三
2.3PWM直接驱动与模拟图腾柱驱动的论证
方案一：
TL494PWM输出直接驱动
TL494内置功率驱动晶体管，可提供500ms驱动能力，足以满足开关管（IRF3205）的驱动要求，但是从效率考虑，不采用直接驱动。
方案二：
模拟图腾柱输出驱动
由于采用模拟图腾柱驱动电路，使PWM波的上升下降沿时间短，降低其在开关管上的功耗，从而提高其输出效率。
故采用方案二。
2.4PWM产生方式
方案一：
由单片机直接产生
SPCE061A单片机可以直接输出可调PWM波，虽然应用简单，但是其输出脉宽最小调节范围较大，不利于精确控制。
方案二：
由三角波比较产生
采用三角波与可调电压经比较器比较，也可以实现脉宽可调，但是驱动能力有限，用运算放大后，可以满足要求，但是电路结构复杂，不便于制作。
方案三：
使用PWM集成控制器
使用单芯片的PWM集成控制器，电路结构简单，便于用单片机进行控制，配合模拟图腾柱电路，驱动开关管较为理想。
故系统采用方案三。
2.5电流取样电阻的选择方案
产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法，测量电流一般采用的方法是测量电流流经电阻两端的电压进行间接计算得到的。
因此在产生电流或者测量电流值时，取样电阻的选择非常重要。
方案一：
采用普通电阻
在电流比较小的情况下，普通的1/4W或者1/8W的电阻可以被用作电流测量，但是本题需要测量的是最大输出电流需要达到2A的电源。
因此即使是比较小的电阻，通过2A电流时功率也会大大超过普通电阻的额定功率，电阻将被烧断。
因此在本系统中，测量电流的取样电阻不能使用普通电阻。
方案二：
采用大功率电阻
为了满足流过大电流的要求，可以采用大功率电阻，通过2A电流时一定不会被烧断。
但是此时流过的大电流将会使电阻大量发热，导致电阻温度急剧上升，将产生很大的测量误差。
因此不能使用温度漂移严重的普通大功率电阻。
方案三：
采用康锰铜电阻丝
康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小。
经过测试，在1Ω的康锰铜电阻丝上通过约2A电流，由于产生的热量引起的升温，只会引起0.02Ω左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。
另一方面，1Ω的康锰铜电阻丝约长1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的减小温度漂移带来的影响。
鉴于上面分析，本设计采用方案三。
3系统硬件设计与实现
3.1系统硬件的整体组成部分
系统硬件整体分为电源电路和控制电路两部分，通过单片机实现电源输出的采样及显示，过流保护，及闭环控制。
两部的有机结合，将单调的电源变得更加智能化，人性化。
电源电路工作原理，220V市电首先进入150W变压器，18V交流输出，经过大功率整流桥整流，后又经三个4700uf的电容并联滤波，输出大功率直流电源，通过双管正激式结构，采用TL494作为PWM控制芯片，产生196K交流电压，再经升压变压器，整流滤波电路，使其输出要求值电压。
电压调节为脉宽调制型，并引入反馈调节，使主电路输出更加稳定。
下图为DC-DC主回路的拓扑结构
DC-DC主回路拓扑结构
TL494内部结构图
PWM控制电路图
控制电路采用凌阳61单片机，加外围采样电路，PWM产生控制电路，键盘、显示电路及一些指示电路，组成一个完整闭环控制系统。
电源由于凌阳SPCE061A内置AD/DA,不需要设计此部分电路；外围采样电路采用比例电压采样电路，康铜电阻电流采样电路，可以较准确地采集到电源输出信号；PWM产生及控制采用TL494加单片机控制方式；显示电路采用SPLC501液晶模组；键盘为四按键式，设置键、确认键、上调整键、下调整键；另外加有输入指示灯，输出指示灯，过流警示灯。
整个系统经过测试，单元电路能够很好的协调工作。
3.2各单元电路的设计.
3.2.1主电源电路的设计
图3主电源电路图
在进行电源设计初期，考虑到最大电流输出达2A，及具有2.5A动作电流的功率要求，一切器件均以大功率要求进行计算设计。
下表为部分器件选用的参数。
器件名称
器件型号
功率参数
隔离变压器
BK-150
150W
整流或二极管
Kbpc3510
35A
电解滤波电容
4700uF（三个并联）
滑动变阻器
J2354
100Ω/3A
开关管
IRF3205
110A
表1器件参数表
开关电路的设计，开关电路采用双管正激式变换设计，其属于双端式变换电路它的高频变压器工作于磁滞回线两侧，是一种设计简单，工作合理的线路，适用范围比较广，MOSFET开关管（IRF3205）由基级驱动电路激励交替导通与
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