開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2009全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院題目；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源學(xué)生；王志，王春彥，二OO九年 八 月 十 日開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源摘要： 以凌陽(yáng)16位單片機(jī)為控制核心，具有電壓可預(yù)置；可步進(jìn)調(diào)整；輸出電壓、預(yù)置電壓、輸出電流同時(shí)顯示；過(guò)流保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能。并較好的完成了基本和發(fā)揮部分的各項(xiàng)指標(biāo)。另外又增加了30V-36V精確調(diào)整、語(yǔ)音播報(bào)及人性化的聲光警示功能。系統(tǒng)主要包括：凌陽(yáng)SPCE061A精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板、鍵盤(pán)與LCD顯示電路、整流濾波電路、開(kāi)關(guān)控制電路、反饋控制電路等。關(guān)鍵詞：SPCE061A，TL494，閉環(huán)控制，PWMAbstract： This paper designs a sw

2、itch power supply, using Sunplus SPCE061A as centre of the control, which can set the voltage in advance, adjust the value in step, display the output voltage, the pre-set voltage and the output current at the same time and has the sage guard for the current. Both the basic and the advanced requirem

3、ents have been finished perfectly. In addition, we add some extra functions such as adjusting the voltage from 30V to 60V exactly, voice broadcasting and warning function using sound and light. The system contains Sunplus SPCE061A, keyboard and LCD circuit, switch control circuit, commutation and fi

4、ltering circuit, feedback control circuit, and so on.Keyword: SPCE061A, TL494, closed loop control, PWM1系統(tǒng)框圖圖1系統(tǒng)框圖2 方案比較與論證2.1 DC-DC變換電路的選擇方案一：?jiǎn)味苏な阶儞Q器該種方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其變壓器利用率低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合自己繞制,體積也較大。方案二: 雙管正激式變換器雙管正激變換器由于具有開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低，內(nèi)在抗橋臂直通能力強(qiáng)，可靠性高,變壓器利用率高體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高輸入電壓的中、大功率等級(jí)的電源產(chǎn)品中。因此系統(tǒng)采用方案二。2.2 控制方案的選擇

5、方案一：采用AT89C51作為控制器采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。AT89C51價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且資料豐富；但是51單片機(jī)系統(tǒng)資源有限，8位控制器，運(yùn)算能力有限,且沒(méi)有內(nèi)置AD/DA轉(zhuǎn)換器，需要外接大量外圍電路，編程需要價(jià)格昂貴的編程器及仿真器，不便于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。方案二：采用凌陽(yáng)SPCE061A作為控制器采用SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行控制。SPCE061A凌陽(yáng)單片機(jī)具有強(qiáng)大功能的16位微控制器，它內(nèi)部集成7路10位ADC和2通道10位DAC，可以直接用于電流電壓采集，以及數(shù)字控制輸出；且其存儲(chǔ)空間大，能配合LCD液晶顯示的字模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及語(yǔ)音的存儲(chǔ)。采用SPCE061A單片機(jī)，能將相當(dāng)一部

6、分外圍器件結(jié)合到一起，使用方便，抗干擾性能提高。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡(jiǎn)單，只需要完成數(shù)控部分、鍵盤(pán)輸入、語(yǔ)音播報(bào)以及顯示輸出功能。系統(tǒng)采用方案三2.3 PWM直接驅(qū)動(dòng)與模擬圖騰柱驅(qū)動(dòng)的論證方案一：TL494PWM輸出直接驅(qū)動(dòng) TL494內(nèi)置功率驅(qū)動(dòng)晶體管，可提供500ms驅(qū)動(dòng)能力，足以滿足開(kāi)關(guān)管（IRF3205）的驅(qū)動(dòng)要求，但是從效率考慮，不采用直接驅(qū)動(dòng)。方案二：模擬圖騰柱輸出驅(qū)動(dòng)由于采用模擬圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，使PWM波的上升下降沿時(shí)間短，降低其在開(kāi)關(guān)管上的功耗，從而提高其輸出效率。故采用方案二。2.4 PWM產(chǎn)生方式方案一：由單片機(jī)直接產(chǎn)生 SPCE061A單片機(jī)可以直接輸出可調(diào)PWM

7、波，雖然應(yīng)用簡(jiǎn)單，但是其輸出脈寬最小調(diào)節(jié)范圍較大，不利于精確控制。方案二：由三角波比較產(chǎn)生 采用三角波與可調(diào)電壓經(jīng)比較器比較，也可以實(shí)現(xiàn)脈寬可調(diào)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限，用運(yùn)算放大后，可以滿足要求，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于制作。方案三：使用PWM集成控制器 使用單芯片的PWM集成控制器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于用單片機(jī)進(jìn)行控制，配合模擬圖騰柱電路，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管較為理想。故系統(tǒng)采用方案三。2.5電流取樣電阻的選擇方案產(chǎn)生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測(cè)量電流一般采用的方法是測(cè)量電流流經(jīng)電阻兩端的電壓進(jìn)行間接計(jì)算得到的。因此在產(chǎn)生電流或者測(cè)量電流值時(shí)，取樣電阻的選擇非常重要。方案一：采用普通電阻在電流比較

8、小的情況下，普通的1/4W 或者1/8W 的電阻可以被用作電流測(cè)量，但是本題需要測(cè)量的是最大輸出電流需要達(dá)到2A的電源。因此即使是比較小的電阻，通過(guò)2A 電流時(shí)功率也會(huì)大大超過(guò)普通電阻的額定功率，電阻將被燒斷。因此在本系統(tǒng)中，測(cè)量電流的取樣電阻不能使用普通電阻。方案二：采用大功率電阻為了滿足流過(guò)大電流的要求，可以采用大功率電阻，通過(guò)2A 電流時(shí)一定不會(huì)被燒斷。但是此時(shí)流過(guò)的大電流將會(huì)使電阻大量發(fā)熱，導(dǎo)致電阻溫度急劇上升，將產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。因此不能使用溫度漂移嚴(yán)重的普通大功率電阻。方案三：采用康錳銅電阻絲康錳銅電阻絲是電流測(cè)量中很常用取樣電阻，其特點(diǎn)在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在1的康錳

9、銅電阻絲上通過(guò)約2A 電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會(huì)引起0.02左右的阻值變化，對(duì)電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一方面，1的康錳銅電阻絲約長(zhǎng)1m，由于和外界接觸面積大，即使通過(guò)大電流也能很快的散熱，進(jìn)一步的減小溫度漂移帶來(lái)的影響。鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件的整體組成部分 系統(tǒng)硬件整體分為電源電路和控制電路兩部分，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電源輸出的采樣及顯示，過(guò)流保護(hù)，及閉環(huán)控制。兩部的有機(jī)結(jié)合，將單調(diào)的電源變得更加智能化，人性化。 電源電路工作原理，220V市電首先進(jìn)入150W變壓器，18V 交流輸出，經(jīng)過(guò)大功率整流橋整流，后又經(jīng)三個(gè)4700uf的電容并聯(lián)濾

10、波，輸出大功率直流電源，通過(guò)雙管正激式結(jié)構(gòu)，采用TL494作為PWM控制芯片，產(chǎn)生196K 交流電壓，再經(jīng)升壓變壓器，整流濾波電路，使其輸出要求值電壓。電壓調(diào)節(jié)為脈寬調(diào)制型，并引入反饋調(diào)節(jié)，使主電路輸出更加穩(wěn)定。下圖為DC-DC主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2 DC-DC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制電路采用凌陽(yáng)61單片機(jī)，加外圍采樣電路，PWM產(chǎn)生控制電路，鍵盤(pán)、顯示電路及一些指示電路，組成一個(gè)完整閉環(huán)控制系統(tǒng)。電源由于凌陽(yáng)SPCE061A內(nèi)置AD/DA,不需要設(shè)計(jì)此部分電路；外圍采樣電路采用比例電壓采樣電路，康銅電阻電流采樣電路，可以較準(zhǔn)確地采集到電源輸出信號(hào)；PWM產(chǎn)生及控制采用TL494加單片機(jī)控制方式 ；顯

11、示電路采用SPLC501液晶模組；鍵盤(pán)為四按鍵式，設(shè)置鍵、確認(rèn)鍵、上調(diào)整鍵、下調(diào)整鍵；另外加有輸入指示燈，輸出指示燈，過(guò)流警示燈。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，單元電路能夠很好的協(xié)調(diào)工作。3.2各單元電路的設(shè)計(jì)3.2.1主電源電路的設(shè)計(jì)圖3主電源電路圖在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)初期，考慮到最大電流輸出達(dá)2A，及具有2.5A動(dòng)作電流的功率要求，一切器件均以大功率要求進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。下表為部分器件選用的參數(shù)。 器件名稱器件型號(hào)功率參數(shù)隔離變壓器BK-150 150W整流或二極管 Kbpc351035A電解濾波電容 4700uF(三個(gè)并聯(lián))滑動(dòng)變阻器J2354100/3A開(kāi)關(guān)管IRF3205110A表1器件參數(shù)表開(kāi)關(guān)電路的設(shè)

12、計(jì)，開(kāi)關(guān)電路采用雙管正激式變換設(shè)計(jì)，其屬于雙端式變換電路它的高頻變壓器工作于磁滯回線兩側(cè)，是一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作合理的線路，適用范圍比較廣，MOSFET開(kāi)關(guān)管（IRF3205）由基級(jí)驅(qū)動(dòng)電路激勵(lì)交替導(dǎo)通與截至輸入直流電壓變換成高頻方波交流電壓，很好地解決了耐壓級(jí)飽和壓絳問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)電路采用TL494，是一種衡頻脈寬調(diào)制控制器，內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器震蕩頻率可通過(guò)一個(gè)外部的電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其震蕩頻率計(jì)算公式為：系統(tǒng)使用的電阻為5.1k, 電容為0.001uF,故其震蕩頻率為196KHz.芯片內(nèi)部?jī)?nèi)置誤差放大器內(nèi)置5V基準(zhǔn)參考電壓，對(duì)于PWM脈寬調(diào)制非常方便。但是其輸出不為圖騰柱輸出，故電路模擬

13、圖騰柱輸出，使其上升下降沿時(shí)間變短，提高開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通效率，其應(yīng)用電路圖見(jiàn)附錄。3.2.2閉環(huán)反饋電路的設(shè)計(jì)該部分的設(shè)計(jì)采用電阻比例電路，考慮到功耗，及檢測(cè)吸收能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，R2=150K,R11=5K(可調(diào))，R4=10K，在既滿足反饋要求，且功耗低。 3.2.3過(guò)流保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)電路的設(shè)計(jì)本電路采用溫度漂移小的康銅錳銅絲作為采樣電阻，其電阻率為1.3/m,考慮到單片機(jī)的識(shí)別能力及功耗問(wèn)題，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，選用電阻值為0.4，可以精確采樣到其兩端電壓，經(jīng)過(guò)公式： 計(jì)算輸出電流值，當(dāng)其輸出達(dá)到2.5A時(shí)，控制TL494進(jìn)行過(guò)流動(dòng)作保護(hù)。當(dāng)電流故障排除后，電源輸出自動(dòng)恢復(fù)。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)圖4

14、為系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)初始化后，通過(guò)上下調(diào)整鍵，步進(jìn)1V調(diào)整；當(dāng)預(yù)設(shè)鍵按下，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)設(shè)調(diào)整，通過(guò)上下調(diào)整鍵1V步進(jìn)調(diào)整，完成按確定鍵，系統(tǒng)輸出預(yù)設(shè)值；當(dāng)系統(tǒng)輸出電流達(dá)到2.5A,系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)輸出，進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作及語(yǔ)音提示報(bào)警，并且在排除過(guò)流保護(hù)后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。圖4系統(tǒng)主程序流程圖5系統(tǒng)測(cè)試5.1測(cè)試方法與數(shù)據(jù)分析負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試方法：通過(guò)一個(gè)大功率可調(diào)電阻及數(shù)字萬(wàn)用表將輸入電壓調(diào)節(jié)到18v，改變功率電阻的阻值測(cè)量輸出端電壓，其測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。可算出電源的電壓調(diào)整率為0.02。原因可能是變壓器沒(méi)有工作在最好狀態(tài)另外線圈手工繞制較粗糙，可以改變變壓器的加工精度提高負(fù)載調(diào)整率。表2負(fù)

15、載調(diào)整率測(cè)試負(fù)載阻值輸出電壓輸出電流7033.00.465033.00.664032.90.843432.80.942932.51.121832.31.801632.32.055.2電壓調(diào)整率的測(cè)量方法：用大功率可調(diào)電阻將輸入15v的電源輸出的電流調(diào)至2A，再調(diào)節(jié)輸入電壓，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得輸出端的電壓，測(cè)得數(shù)據(jù)如下表?？伤愠鲭娫吹呢?fù)載調(diào)整率為0.003，達(dá)到發(fā)揮部分的要求。表3電壓調(diào)整率測(cè)試Ui(v)U0(v)I0(A)1533.02.001633.02.001733.02.001833.12.001933.12.002033.12.002133.12.015.3輸出紋波的測(cè)定：將輸出端的信號(hào)輸入DS5102CA型數(shù)字示波器可以直接讀到紋波的大小。我們測(cè)得的紋波峰峰值為600mv足以滿足題目紋波不大于1v的要求。5.4電源效率的測(cè)量：測(cè)量DC-DC輸入端電壓和電流，從而得到輸入的功率；在電源的輸出端接一大功率滑動(dòng)變阻器，測(cè)得其輸出的電流、電壓值，從而得到電源的效率。通過(guò)這種方法我們測(cè)得該電源的效率在80%左右。開(kāi)關(guān)管變壓器功耗過(guò)高，改進(jìn)方法提高開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，改進(jìn)變壓器。6總結(jié)本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源以凌陽(yáng)SPCE061A為控制核心，較好的實(shí)現(xiàn)了基本和發(fā)揮部分的各項(xiàng)指