開關(guān)電源設(shè)計(設(shè)計報告)

開關(guān)電源設(shè)計作者：鐘代海、黃亮、伍利衡（湖南城市學(xué)院）指導(dǎo)老師：文稿整理輔導(dǎo)老師：摘要：系統(tǒng)基于開關(guān)電源的工作原理,采用UC3843高性能電流模式控制器實現(xiàn)對Boost升壓斬波電路穩(wěn)壓輸出。UC3843片內(nèi)集成有微調(diào)的振蕩器放電電流(可精確控制占空比)、電流模式工作頻率(可到500kHz)、自動前饋補償、鎖存脈寬調(diào)制(可逐周限流)、內(nèi)部微調(diào)的參考電壓(帶欠壓鎖定)、欠壓鎖定(帶滯后)、低啟動和工作電流等。該系統(tǒng)電路主要包括整流濾波電、DC-DC變換電路、過流保護電路、穩(wěn)壓反饋電；路和單片機控制電路部分。開關(guān)電源輸出電壓可以實現(xiàn)在30V～36V任意值之間輸出,最大輸出電流1.5A,效率大于等于70%。為了能使系統(tǒng)獲得較高的輸出電壓細分數(shù),又增加了數(shù)字電位器控制電路,能對輸出電壓進行步進值為0.1V的調(diào)整。關(guān)鍵詞：DC-DC變換,UC3843,開關(guān)穩(wěn)壓電源ABSTRACT：Systemisbasedonswitchingpowersupplyworks,usinghigh-performancecurrentmodecontrollerUC3843torealizetheBoostboosterchopperregulateoutput.UC3843integratedwithfine-tuningoftheoscillatordischargecurrent(whichcanpreciselycontrolthedutycycle),current-modefrequency(availableat500KHz),auto-forwardcompensation,latchingpulsewidthmodulation(whichcanb-weeklimit),theinternaltuningreferencevoltage(withundervoltagelockout),undervoltagelockout(withdelay),lowstartupandoperatingcurrent.Thesstemcircuitincludesarectifierfiltercircuit,DC-DCconverter,currentprotectioncircuit,voltageregulatorfeedbackcircuitandtheMCUcontrolcircuit.Switchingstabilizedpowersupplyoutputvoltagecanberealizedintheprogrammableoutputbetween30V～36V,maximumoutputcurrentof2A,theefficiencyofgreaterthanorequalto85%.Inordertomakethesstemgetahigheroutputvoltagedivisionnumber,increasednumberofpotentialcontrolcircuit,theoutputvoltagecanbelessthan1Vstepadjustment.KEWORDSDC-DC,UC3843,switchingstabilizedpowersupply.方案論證1.DC-DC主回路拓撲。方案一：間接直流變流電路。結(jié)構(gòu)圖如圖1-1-1所示，可以實現(xiàn)輸出端與輸入端的隔離，適合輸入電壓與輸出電壓之比遠小于或遠大于1的電路，但由于采用多次變換，電路中的損耗較大，效率較低，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖1-1-1間接直流變流電路方案二：Boost斬波電路。拓撲結(jié)構(gòu)如圖1-1-2所示。開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部PWM信號控制，電感L將交替地存儲和釋放能量，電感L儲能后使電壓上升，而電容C可將輸出電壓保持平穩(wěn)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為:通過改變PWM控制信號的占空比可以相應(yīng)實現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采取直接直流變流的方式實現(xiàn)升壓，電路結(jié)構(gòu)簡單，損耗較小，效率較高。圖1-1-2Boost升壓電路綜合比較，基于對電路結(jié)構(gòu)和效率的考慮，選擇方案二。2.控制方法及實現(xiàn)方案方案一：用PWM專用芯片產(chǎn)生PWM控制信號。此方法較易實現(xiàn)，工作較穩(wěn)定，控制芯片自動實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓控制，使得軟件容易實現(xiàn)，但不易實現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設(shè)定。方案二：用單片機產(chǎn)生PWM控制信號。單片機根據(jù)取樣電路的反饋對PWM信號做出調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方案雖較為靈活，但不易實現(xiàn)閉環(huán)控制，增加了軟件的工作量，且輸出噪聲紋波較大。綜合考慮，在這里選擇方案一。3.系統(tǒng)總體設(shè)計框圖系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖3-1-1所示：圖1-3-1總體設(shè)計方案圖4.提高效率的方法及實現(xiàn)方案1）選擇合適的開關(guān)工作頻率為降低開關(guān)損耗，工作頻率不宜過高，為避免產(chǎn)生噪聲，工作頻率不應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后把開關(guān)頻率選定為11.25KHz。2）Boost斬波電路中開關(guān)管的選取電力晶體管耐壓高、工作頻率低、開關(guān)損耗大；電力場效應(yīng)管耐壓低、開關(guān)損耗小、工作頻率較高。3）Boost斬波電路中二極管的選取本電路工作頻率高、電壓低、對二極管的開關(guān)速度要求高，對反向耐壓要求不高?？焖倩謴?fù)二極管開關(guān)速度高，恢復(fù)時間短，并且正向壓降低，方向耐壓也已經(jīng)滿足要求。4）Boost斬波電路中電感的選取由于電感工作在I類狀態(tài)，電流有很大的直流分量，為防止電感飽和，磁芯需加氣隙。由于本系統(tǒng)功率大于120W，需要大容量的磁芯和較大截面積的導(dǎo)線。故使用EE42型磁芯和漆包線繞制。電路設(shè)計及參數(shù)計算主回路器件的選擇及參數(shù)計算系統(tǒng)主回路由Boost升壓電路構(gòu)成，如圖2-1-1所示。圖2-1-1Boost升壓基本電路當(dāng)U2min=15V，Uomax=36V，Iomax=2A時，POmax開關(guān)管場效應(yīng)管以及快速恢復(fù)整流二極管的選擇當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，電流流過MOS管，整流二極管承受反向電壓；當(dāng)MOS管關(guān)斷時，電流流過二極管，MOS管承受正向壓降。比最大值各留一倍的余量，故MOS管的IDmax（IN溝道MOS管IRF540其開關(guān)速度快，損耗小，且導(dǎo)通內(nèi)阻小，其主要參數(shù)為：VDSS=100V、ID=23A、RDSC≤77mohm。所以本系統(tǒng)選用IRF540作為Boost斬波電路中的開關(guān)管。FR607的驅(qū)動芯片的選擇UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計，為設(shè)計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖肌⒏咴鲆嬲`差放大器，電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出。所以本系統(tǒng)選用UC3843作為MOS管驅(qū)動芯片。占空比的計算：D≈1-所以當(dāng)U2=15V，UO=36V當(dāng)U2=21V，UO=30V電感的參數(shù)計算電感值的計算：L式中，m是脈動電流與平均電流之比，取0.25；開關(guān)頻率f=11.25KHz；輸出電壓UO=36V時，L電感線徑的計算：流過電感的最大電流IL=6.4A，取電流密度J=4A/mm2，線徑為d，則由電容的參數(shù)的計算C式中，?UO為負載電壓變化量，取20mV。f=11.25KHz，U控制電路的設(shè)計與參數(shù)計算主控制器的選擇ATmega16是基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。其數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。此控制器足夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求，所以本系統(tǒng)主控制器選用ATmega16。A/D采樣系統(tǒng)的選擇與設(shè)計系統(tǒng)對A/D采樣的精度要求：題目中最高要求為0.2%，欲達到這一精度，A/D精度至少要達到1/500，即9位的精度。主控制器ATmega16內(nèi)置10位A/D，只要合理設(shè)定測量范圍完全可以達到題目的精度要求，所以為減少系統(tǒng)電路模塊，減少系統(tǒng)功耗，本系統(tǒng)選用主控制器ATmega16內(nèi)部A/D采樣系統(tǒng)。保護電路的設(shè)計與參數(shù)計算輸入電流保護在交流輸入端串聯(lián)熔絲（250V、8A），從而實現(xiàn)過流保護。反接保護反接保護功能由二極管和熔絲實現(xiàn)，電路如圖2-3-1所示。防開機“浪涌”保護用壓敏電阻實現(xiàn)了對開機浪涌電流的抑制，電路如圖2-3-1所示。圖2-3-1輸入保護電路步進電壓控制及顯示電路的設(shè)計分別通過鍵盤和LCD實現(xiàn)電壓步進和顯示。通過鍵盤調(diào)節(jié)數(shù)字電位器X9312的電阻值從而實現(xiàn)電壓的步進調(diào)節(jié)；輸出電壓的量通過LCD12864顯示。效率的分析及計算測試條件為：（U2=18V,輸出電壓UODC-DC電路輸入電壓：UIN信號占空比為：D≈1-輸入電流有效值：I輸出功率：P下面計算電路中的損耗P損耗Boost電路中電感的損耗P式中，RL為電感的直流電阻，取50mΩ，代入可得PBoost電路中開關(guān)管的損耗開關(guān)損耗P式中，tr=190ns，tf=導(dǎo)通損耗P式中，RDSON=77mΩ，電流感應(yīng)電阻RSNS取0.1整流二極管的損耗P式中，IO為二極管導(dǎo)通時流過的電流，即流過電感的電流，約為IO=IIN綜上，電路總損耗P損耗=4.5W軟件設(shè)計鑒于單片機計數(shù)比較成熟，且開發(fā)過程中可以利用的資料和工具豐富、價格便宜、成本低。故設(shè)計用C語言對其編程并燒錄到芯片內(nèi)部，C語言表達和運算能力比較強，且具有很好的可移植性和硬件控制能力。采用AVRStdio4.0編譯器進行程序編譯和開發(fā)，此平臺界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強的功能。1．軟件設(shè)計和硬件設(shè)計的關(guān)系硬件設(shè)計和軟件設(shè)計是電子設(shè)計中必不可少的內(nèi)容，為了滿足設(shè)計的功能和指標(biāo)的要求，我們必須在開始設(shè)計時就考慮到硬件和軟件的協(xié)調(diào)；不然不是造成硬件資源的浪費，就是增加軟件實現(xiàn)時困難和復(fù)雜程度，甚至造成信號的斷層，即使硬件和軟件能單獨使用，卻不能使它們組成的系統(tǒng)工作。故在設(shè)計的過程中必須考慮軟硬件的處理能力以及它們的接口是否兼容，實現(xiàn)軟硬件的信號過度。其次設(shè)計時硬件之間應(yīng)盡可能減小聯(lián)系，只要把必要的信號線相連則可。這樣做的優(yōu)點是：首先，調(diào)試時可以減少很多不必要的麻煩，因為電路模塊是相對獨立的，故在調(diào)整電路參數(shù)值時其影響和干擾就小，在滿足系統(tǒng)設(shè)計模塊的要求后可單獨對控制模塊進行調(diào)整；再者，當(dāng)出現(xiàn)問題時檢查電路就容易縮小問題的范圍，使得排錯效率高。由于硬件的分離，在軟件的調(diào)試時就可以單獨針對控制模塊。2．系統(tǒng)程序設(shè)計 主程序流程圖如圖3-1-1所示。程序清單見附錄2。系統(tǒng)測試及結(jié)果分析測試使用的儀器測試使用的儀器設(shè)備如表4-1-1所示。表4-1-1測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1數(shù)字存儲示波器12UNI-T標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)字萬用表53大功率變阻器1300W50Ω測試方法測試連接如圖4-2-1所示。圖4-2-1測試連接圖測試數(shù)據(jù)電壓調(diào)整率SU測試（測試條件：I測試方法：在測試條件下，通過調(diào)整自耦變壓器改變U2，測量U表4-3-1測量結(jié)果U15V17V19V21VU35.7935.9036.0136.22由以上測試結(jié)果可以計算出，系統(tǒng)電壓調(diào)整率為：SU負載調(diào)整率測試方法：在U2=18V表4-3-2測量結(jié)果I00.51.01.5U36.0036.1035.9634.96由以上測試結(jié)果可以計算出，系統(tǒng)負載調(diào)整率為：S滿足題目要求。效率測試方法：在U2=18V,輸出電壓UO