基于推挽式高频变压器的开关电源.docx
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基于推挽式高频变压器的开关电源
时间：
7.18－7.24
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摘要：
本设计采用TI公司的超低功耗处理器MSP430F169单片机为控制核心，采用TL494产生PWM控制信号，DC-DC采用推挽式变换方式，输出的高频PWM波通过高频变压器变压输出，经过整流滤波输出稳压直流电，并采用硬件反馈方式反馈到TL494误差放大器自动调节输出PWM波占空比稳定输出电压，单片机采集输出电压、电流用12864LCD显示，可键盘控制电源开断并可设置输出电压大小，输出电压从30V-36V可调，输出电流在2.5A以下输出电压稳定，有过流保护及自恢复功能，保证输出电流低于2.5A。
关键词：
MSP430F169单片机推挽式变换TL494PWM
目录
一方案论证与比较4
1.1控制核心选取方案比较：
4
1.2DC-DC升压方案比较：
4
1.3稳压方案比较：
4
二理论分析与计算5
2.1PWM占空比计算5
2.2高频变压器设计参数计算5
2.3提高效率的方法5
2.4输出滤波器参数的计算6
2.5采样滤波算法6
三硬件电路设计6
3.1AC-DC电路6
3.2DC-DC变换电路6
3.3滤波电路7
3.4电压电流采样8
四软件设计8
五测试方案与结果9
5.1测试框图9
5.2DC-DC效率测试10
5.3输出噪声纹波电压10
5.4电压调整率10
5.5负载调整率10
六结束语10
七参考文献10
附录11
一方案论证与比较
开关稳压电源主要完成数控调节、DC-DC变换环节和稳压环节，数控调节采用TI公司超低功耗处理器MSP430F169单片机进行控制，DC-DC变换又分升压和降压变换，本系统要求升压变换，并且电流达到2A能够稳压，达到2.5A实现过流保护，根据这一系列要求有以下可选方案。
1.1控制核心选取方案比较：
方案一：
采用51或者AVR单片机，其功耗较高，并不自带AD、DA或者自带AD、DA精度不高，采集数据不便，设置输出电压不便。
方案二：
采用TI推出的超低功耗处理器MSP430F169单片机，其自带12位高精度AD、DA，外围电路简单，便于采集输出电压和设置输出电压。
因此本系统采用MSP430F169作为控制核心。
1.2DC-DC升压方案比较：
方案一：
采用BOOST升压电路升压，通过调节PWM占空比调节输出电压，实现升压并可调压，但是BOOST电路的输人电流连续，输出电流断续，输出存在着较大的纹波，开关噪声大缺点，不易达到题目要求。
方案二：
采用推挽式变换，推挽式开关电源两个控制开关轮流交替工作，开关管驱动控制简单，输出波形非常对称，在整个周期内都向负载提供功率输出，因此，输出电流瞬态响应速度很高，电压输出特性很好，是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源。
高频变压器升压，电压可调范围广，空载损耗较小，效率较高，所占体积较小。
因此本设计采用了方案二。
1.3稳压方案比较：
方案一：
采用单片机AD采样，获取输出电压、电流，通过程序算法调节PWM波占空比实现稳压，硬件简单、成本较低，但是在反馈调节时采集输出电压比较复杂，程序算法也相对复杂，反应速度相对硬件反馈较慢，不够精准，并且还要单独做过流保护电路。
方案二：
采用硬件产生PWM驱动信号，选用TL494芯片产生占空比可调PWM波，用硬件方式反馈到TL494误差放大器，形成一个稳定的闭环控制系统，实现PWM占空比自动调节功能，并可以采集输出电流反馈到TL494另外一个误差放大器，实现过流保护，单片机只需通过DA给出一个参考电压，即可输出比较稳定的电压，减轻程序负担，硬件也比较简单，硬件方式反馈速度更快、精度更高。
因此本系统采用了方案二。
根据本系统选取的各模块方案，整体系统原理如图1-1：
图1系统总体框图
二理论分析与计算
2.1PWM占空比计算
根据题目要求，输出电压范围：
30V-36V可调，输入电压变化范围15V-21V，设定变压器原副线圈匝数比为n即电压比为n，则最小占空比为
，最大占空比为
，TL494最大占空比为90%为防止调节失控
。
2.2高频变压器设计参数计算
本系统采用EI35磁芯，开关频率为50KHZ,输入电压选取最低电压为15V，输出电压选取最高电压36V计算，根据推导公式
计算出高频变压器的线圈匝数比为3:
11,根据公式
计算漆包线直径，其中d为漆包线直径，j为电流密度，在此为提高变压器安全性能取j=3A/mm，输入电流约7A，输出电流低于2.5A，因此输入线圈采用直径1.0mm三线并绕方式，输出线圈采用直径1.0mm单线绕制。
2.3提高效率的方法
1）使用合适的MOS管和驱动电路，比如选取IRFZ44S低电压、大电流、小内阻的高性能MOS管和自带误差放大的TL494；
2）使用较适合的开关频率，因为功率管开关和磁性材料的磁通变化会带来损耗，使用可以满足ＤＣ-ＤＣ升压变换的最佳的ＰＷＭ频率，如该系统设计为40～100KHz，可以降低开关管、高频变压器和滤波电感的损耗，另外使用高频损耗较低的磁性材料做滤波电感，如铁硅铝磁芯的电感，也可以降低系统的损耗。
3）尽可能降低变压器损耗，变压器的损耗包含铜损和铁损，采用多线并绕的方法减小肌肤效应，包扎适当多的绝缘胶，减小线圈之间的干扰，采用灌封胶灌封，提高高频变压器的频率。
4）减小开PWM控制信号纹波以减小在开关管上的损耗，在开关管控制端加电容吸收纹波。
2.4输出滤波器参数的计算
本系统有两次滤波，前级滤波是把50HZ交流输入电压整流后滤波，输出稳定的直流电压，前级滤波要求不是很高为降低成本采用简单的电容滤波即可。
后级滤波的主要目的是滤除高频开关频率分量，本系统中开关频率为50KHz，要求输出稳定的直流量，为减小脉动系数提高稳定性，采用LC滤波器滤波，LC谐振频率为
，为达到比较良好的性能，最好满足以下关系：
，由于输出直流量，因此
趋近于零，而
最低约1KHZ左右，因此
选100HZ以下滤波效果较好，由此计算得
，
，因此选L=840uH，C=220uF。
2.5采样滤波算法
输出电压采集通过电阻分压，然后经过LC滤波把稳定的采集电压传送给单片机，根据
，其中
选1KHZ，
，
，因此选L=100UH,C=22UF。
电流采样通过放大和LC滤波（采用和电压采集滤波同样的算法）处理传给单片机，单片机用自带12位高精度AD转换采集电压，用多通道多次采集模式连续采集电流、电压，单片机采集大批数据采用数字滤波算法计算出电压、电流值并显示。
三硬件电路设计
3.1AC-DC电路
输入220V交流通过隔离变压降压输出18V交流，需要进行整流滤波输出直流电供给后级DC-DC变换器，由于这一级杂波较少，采用简单的电容滤波即可，电路图如下图3-1所示：
图3-1硬件系统框图
3.2DC-DC变换电路
DC-DC变换是该系统的核心部分，电路包括参考电压的设置，PWM信号的产生，开关管的驱动，滤波环节，反馈调节，过流保护。
整体框图如下图3-2-1所示：
图3-2-1DC-DC逆变驱动电路框图
本系统采用硬件产生PWM驱动信号，选用TL494芯片，该芯片外部接RC振荡控制输出PWM波的频率，用其一个误差放大器设置参考电压，另外一个误差放大器进行过流检测，单片机只需通过DA给出一个参考电压到一个误差放大器正端设置输出电压，用硬件方式反馈到TL494误差放大器负端，形成一个稳定的闭环控制系统，实现PWM占空比自动调节功能，从而稳定电压。
采集输出电流反馈到TL494另外一个误差放大器负端，实现过流保护，当电流大于设置的过流阀值，电流将不会增加，电压减小，当输出电流减小会自动恢复。
运用硬件方式实现DC-DC变换比较简单，硬件方式反馈速度很快、精度很高即可输出比较稳定的电压，减轻程序负担。
DC-DC变换原理图如下图3-2-2所示：
图3-2-2DC-DC逆变驱动电路
3.3滤波电路
本系统有两次滤波，前级滤波是把50HZ交流输入电压整流后滤波，输出稳定的直流电压，前级滤波要求不是很高为降低成本采用简单的电容滤波即可，如图3-3-1所示为前级滤波电路。
后级滤波的主要目的是滤除高频开关频率分量，本系统中开关频率为50KHz，要求输出稳定的直流量，为减小脉动系数提高稳定性，采用LC滤波器滤波。
后级滤波电路图如图3-3-2所示：
图3-3-1前级滤波电路
图3-3-2后级滤波电路
3.4电压电流采样
在输出端用分压电阻法进行电压采样，再把采样的电压进行滤波处理送到单片机AD采样端口，在输出端串联一个很小的电阻进行电流采样，并将采样的信号进行放大滤波处理，传送到单片机的另外一个AD采样端口，单片机捕获到两个信号进行一定的数字滤波算法，计算出输出电压和电流并显示，电路图如图3-4所示：
图3-4电压电流采样电路
四软件设计
软件主要负责数控设置参考电压及电压、电流检测并显示。
进入主程序后进行系统初始化，然后按键检测，如果没检测到按键那输出显示参数，如果检测到按键，根据按键设定通过DA输出相应参考电压，最后返回。
其主程序流程图如图4-1所示：
N
Y
图4-1主程序流程图
中断程序主要负责电压和电流的采集，定时采集数据，动态分析数据传回主程序。
中断服务程序流程图如图4-2所示：
图4-2中断服务程序
五测试方案与结果
5.1测试框图
根据题目要求本系统需要测试变压隔离后输入的交流电压，整流后的直流电压、电流，以及输出电压、电流。
因此本系统测试框图如下图5-1所示：
图5-1测试框图
5.2DC-DC效率测试
效率∩=Pin/Po，其中Po=Uo*Io，Pin=Uin*Iin。
Uo（V）
Io（A）
Uin（V）
Iin（A）
∩=
5.3输出噪声纹波电压
用带宽为40MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）测量UOPP。
UOPP=______________
5.4电压调整率
在U2从15V变到21V时，输出电压UO的变化率SU。
U2
Uo
SU=_______________
5.5负载调整率
IO在0.3A-2.5A变化时，输出电压UO的变化率SI。
Io
Uo
SI=_______________
六结束语
经过多日的辛勤努力，我们实现了题目的部分要求，但在效率提高方面确做的不够，损耗功率较大。
在硬件调试的过程中，我们遇到很多问题。
由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方。
本次竞赛锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。
七参考文献
[1]童诗白等.模拟电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2000.
[2]阎石主编.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2006.
[3]陈永真、宁武、蓝和慧等.新编全国大学生电子设计竞赛试题精解选.北京：
电子工业出版社，2009.
[4]王建校、张虹、金印彬等.电子系统设计与实践.北京：
高等教育出版社，2008.
[5]利尔达、沈建华、杨艳琴、翟骁曙等.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.北京：
清华大学出版社，2009.
附录
主程序主要负责按键检测和显示程序结构简单，程序清单如下：
#include"msp430x16x.h"
#include"MyADC.h"
#include"MyDAC.h"
#include"My12864.h"
#include"KeyIn.h"
#include"KeyThing.h"
#include"CLKConfig.h"
voidinitMain（）
{
//Stopwatchdogtimertopreventtimeoutreset
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
Initialize12864（）;
initADC12（）;
initDAC（）;
CLKConfig（）;
}
voidmain（void）
{
unsignedcharkey=0;
unsignedcharfg=0;
initMain（）;
P2DIR=0XFF;
P2OUT=0XFF;
for（;;）
{
key=keyIn（）;
if（!
（key-1））key0（）;
if（!
（key-4））fg^=0xFF;
if（fg）
{
WriteString（0,4,"设置停止"）;
P2OUT&=~BIT0;
}
else
{
WriteString（0,4,"设置启动"）;
P2OUT|=BIT0;
}
DataToString（2,result000[0]）;
DataToString（3,result000[1]）;
}
}
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