开关稳压电源.docx

1、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21. DC-DC主回路结构的方案选择22. 控制方法的方案选择33. 电流工作模式的方案选择3三、 单元电路设计41. 并联开关电路形式42. 三角波产生电路53. 脉宽调制信号电路64. 采样电路及误差比较放大电路75. 电源变换电路86. 总原理图97. 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

2、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o可由公式计算，即Uo=UmT1/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

3、流堆、和滤波电容等元件组成，可以在隔离变压器副边输出1521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2.1 DC-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

4、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。

5、图32.2 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

6、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

7、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

8、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，

9、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/R3T=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

10、所示：VT+=R1/R3*VZVT-=-R1/R3*VZVT=(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*DtVO=-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63.3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

11、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：Low V=0V High V=5V Rise Time=1US Fall Time=1US Frequency=44KHZ占空D38%40%42%44%46%48%50%输出U29.3V30.4V31.5V32.7V34.0V35.4V36.9V3.4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

12、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

13、73.5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83.6总原理图原理图如图9 图93.7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

14、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。