實用開關穩(wěn)壓電源競賽文件

1、<p>　　實用開關穩(wěn)壓電源 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 摘要…………………………………………………………………………2</p><p>　　2 方案論證與描述……………………………………………………………3</p><p>　　2.1方案比較與論證………………………

2、………………………………3</p><p>　　2.1.1 DC-DC主回路拓撲………………………………………………3</p><p>　　2.1.2 控制方法及實現方案……………………………………………3</p><p>　　2.2總方案描述……………………………………………………………3</p><p>　　2.2.1總體思路………………

3、…………………………………………3</p><p>　　2.2.2系統結構方框……………………………………………………3</p><p>　　2.2.3抗干擾措施………………………………………………………4</p><p>　　3 參數計算……………………………………………………………………4</p><p>　　3.1 推挽式升壓電路的參數

4、計算…………………………………………4</p><p>　　3.2 變換器效率計算………………………………………………………5</p><p>　　3.3 電感和電容的選取……………………………………………………5</p><p>　　3.3.1電壓的計算……………………………………………………5</p><p>　　3.3.2 占空比的計算

5、……………………………………………………5</p><p>　　3.3.3 電感電流連續(xù)時電感L的計算…………………………………5</p><p>　　3.3.4電容的選取………………………………………………………5</p><p>　　4 主要電路設計………………………………………………………………5</p><p>　　4.1 輔助電路…

6、……………………………………………………………5</p><p>　　4.2 主要流程圖及PWM電路………………………………………………6</p><p>　　4.2.1主要流程圖………………………………………………………6</p><p>　　4.2.2 PWM控制電路及D/A所用芯片………………………………… 6</p><p>　　4.

7、3 保護電路…………………………………………………………………7</p><p>　　4.3.1 反向保護…………………………………………………………7</p><p>　　4.3.2 過流過壓保護……………………………………………………8</p><p>　　4.4 單片機軟件設計………………………………………………………9</p><p>

8、;　　5 系統測試……………………………………………………………………9</p><p>　　5.1 測試方案與條件………………………………………………………9</p><p>　　5.1.1 測試儀器…………………………………………………………9</p><p>　　5.1.2 測試方案…………………………………………………………9</p><

9、p>　　5.2 測試結果與數據………………………………………………………9</p><p>　　5.2.1 電壓調整率測試…………………………………………………9</p><p>　　5.2.2 負載調整率測試…………………………………………………10</p><p>　　5.2.3 DC-DC變換器效率測試…………………………………………10</p&g

10、t;<p>　　5.2.4輸出噪聲紋波電壓測試…………………………………………10</p><p>　　5.3測試結果分析…………………………………………………………11</p><p>　　6 總結………………………………………………………………………11</p><p><b>　　摘要</b></p><

11、;p>　　本系統以開關電源控制芯片SG3525為核心，采用MSP430F149低功耗單片機為主控制器，降低損耗率。采用兩個場效應管MOSLRF540N，肖特基二極管FR307以及電感斬波升壓電路，單片機根據反饋信號對D/A信號做出調整，進行閉環(huán)控制，從而實現穩(wěn)壓輸出。系統輸出直流電壓20至30V可調，電壓可以通過鍵盤設定和步進調整，最大輸出電流達到1.5A，電壓調整率和負載調整率都小于5%，DC-DC變換器的效率達到89%。并能對

12、輸入電壓、輸出電壓和輸出電流進行測量和顯示。</p><p><b>　　關鍵詞： </b></p><p>　　升壓拓撲電路 單片機 信號發(fā)生器</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　This system to switch power supply c

13、ontrol SG3525 chip as the core, and adopting the MSP430F149 MCU is low power controller, reduce attrition rate. The two MOSLRF540N drive FR307 and inductance constitute A push-pull booster circuit, SCM according to the f

14、eedback signal to the D/A signal to make adjustments, closed loop control, so as to realize the output voltage. The system output DC voltage 20 to 30 v adjustable, voltage can through the keyboard Settings and stepping a

15、djustment, maximum outpu</p><p>　　Keywords: booster topological circuit MCU signal generator </p><p>　　2 方案論證與描述 </p><p>　　2.1方案比較與論證 </p><p>　　2.1.

16、1 DC-DC主回路拓撲</p><p>　　方案一：采用推挽拓撲。</p><p>　　一方面推挽拓撲因其變壓其工作在雙端磁化情況下而應用在低壓大電流的小功率的場合。但推挽電路中的高頻變壓器若在在繞制中兩臂不對稱，變壓器就會因磁通不平衡而飽和，從而導致開關管燒毀。另一方面是由于電路中需要兩個開關管，系統的損耗會增加。</p><p>　　方案二：采用單端反激拓撲&

17、lt;/p><p>　　單端反激電路結構雖然簡單，輸出端也無需濾波電感，常被應用在大電壓小功率的場合?？梢詽M足本題中輸出功率的要求，但由于輸入電壓很小，使得輸入電流峰值很大，對高頻變壓器設計要求較高。</p><p>　　方案三：采用Boost升壓拓撲</p><p>　　Boost電路結構簡單、元件少，損耗少，轉換效率高。而且Boost電路能實現升壓。</p&g

18、t;<p>　　論證方案：在以上方案中，方案一與方案二不僅在電路結構上會復雜化，制作也會增加難度。而方案三的電路轉換率高；而本系統只需輸出電壓升壓，所以選擇方案三Boost升壓電路作為本系統的主回路拓撲。</p><p>　　2.1.2 控制方法及實現方案</p><p>　　方案一：用PWM專用芯片產生PWM控制信號。此方法容易實現，工作也穩(wěn)定，但不容易用鍵盤的設定和步進的

19、調整來實現對輸出電壓的控制，且價格較貴。</p><p>　　方案二：是由SG3525AN產生PWM控制信號。單片機采樣電路，并根據所反饋的情況對PWM信號做出調整以實現穩(wěn)壓輸出。這種方案可以針對本系統具體優(yōu)化。</p><p>　　綜合比較，選擇方案二。</p><p><b>　　2.2總方案描述</b></p><p&

20、gt;<b>　　2.2.1總體思路</b></p><p>　　系統由主電路、控制電路、驅動電路、保護電路組成。主電路輸入的直流電會經過濾波，以減少干擾。再經過Boost DC-DC電路輸出的電壓可調的20V至30V直流電；控制電路由單片機控制系統組成，單片機通過A/D對輸出的電壓、電流進行采樣測量，實現D/A控制,對輸出電壓進行穩(wěn)壓調節(jié)，并通過鍵盤輸入來設定輸出電壓大??；驅動是用兩個LR

21、F540N開關管驅動，提高效率；保護電路檢測輸出電流的大小，電壓的大小，實現過流過壓保護。一旦出現故障，立即封鎖驅動電路的輸出，關斷開關管，切斷DC-DC主電路，進而達到保護電路的目的。</p><p>　　2.2.2 系統結構方框</p><p>　　系統結構方框圖如下圖所示。</p><p>　　2.2.3抗干擾措施</p><p>　

22、　1）不同級之間的電路盡量縮短連接線長度。</p><p>　　2）萬用板精心布局，PCB采用手工工藝，盡量減少分布參數的影響。</p><p><b>　　3 參數計算</b></p><p>　　3.1 升壓電路參數計算</p><p>　　升壓電路包括雙MOS管驅動電路和升壓基本電路，如下圖所示。</p>

23、;<p>　　當=15V，=30V，=1.5A時,</p><p><b>　　==45W。</b></p><p>　　當效率η取60%時，</p><p><b>　　=/η=75W</b></p><p><b>　　=/=5A。</b></p>

24、<p>　　3.2 變換器效率計算 </p><p>　　當=20V， =30，=0.5 時，用萬用表測的輸入電壓 輸入電流,同樣用萬用表測輸出電壓輸出電流。</p><p>　　則效率P=/*100/%</p><p>　　3.3 電感和電容的選取</p><p>　　3.3.1電壓的計算：的變化范圍為15V至25V，

25、由=**0.9，得的變化范圍為19.09至31.82V。</p><p>　　3.3.2占空比的計算：輸出電壓的變化范圍為20至30V，在電路中由公式/=1/1-D,得D的變化范圍為-0.59至0.337.</p><p>　　3.3.3電感電流連續(xù)時電感L的計算：</p><p><b>　　==400uh</b></p>&l

26、t;p>　　3.3.4電容的選?。?lt;/p><p>　　△=D/RC,計算濾波電容C，得出C為4700uF。</p><p><b>　　4 主要電路設計：</b></p><p><b>　　4.1 輔助電路</b></p><p>　　4.2 主要程序流程圖及PWM電路</p>

27、<p>　　4.2.1 主要程序流程圖</p><p>　　4.2.2 PWM控制電路及D/A所用芯片</p><p><b>　　4.3 保護電路</b></p><p>　　在升壓電路前加入防反接保護。過流過壓保護。硬件設計如下圖所示。 </p><p>　　4.3.1 反向保護</p&g

28、t;<p>　　另外就是保護電路采用軟、硬結合的設計方案。對采樣電阻上信號進行濾波放大后，通過比較器與設定的保護動作值進行比較，若比設定的保護動作的值高則會通過軟件檢測過流信號的高電平，繼而使繼電器動作切除負載，同時封鎖PWM輸出。當電流恢復正常后，會判斷過流的故障是否已排除。軟件設計通過這種方式實現當過流故障排除后，電源自動恢復到正常狀態(tài)。如下圖：</p><p>　　4.3.2過流過壓保護電路&

29、lt;/p><p>　　4.4 單片機軟件設計</p><p>　　本設計通過A/D對輸出的電壓、電流信號進行采樣，并通過液晶顯示電壓、電流的數值，并在單片機中實現數字D/A的增量式調節(jié)，進而對PWM的占空比進行調節(jié)，以確保在輸入直流電壓改變或負載改變過程中輸出電壓的恒定。并通過鍵盤輸入所需的的值實現輸出電壓可調。在電流采樣電路中利用了電感，這使采樣控制電路與后級相互隔離。</p>

30、<p><b>　　5 系統測試</b></p><p>　　5.1 測試方案與條件</p><p>　　5.1.1 測試儀器 </p><p>　　5.1.2 測試方案</p><p>　　輸入電壓和輸出電壓給一個定值，然后用萬用表測量分別測出輸入的實際電壓電流和實際輸出的電壓電流，多測幾次，記錄下來即可

31、。</p><p>　　5.2 測試結果與數據</p><p>　　5.2.1 電壓調整率測試（電流為0.5A）</p><p>　　電壓調整率是指一次電壓保持不變（比如為額定值），在某一個負載性質（功率因數）某一個負載電流時，二次的空載電壓與負載電壓之差除以空載電壓的百分數 。</p><p>　　測試方法：調整負載保持輸出電流=0.5A,

32、兩組交流輸入電壓 從15V變到25V，并用數字表測輸出電壓的變化范圍，記錄其數值，并計算出其電壓調整率。數據如下表所示。</p><p><b>　　電壓調整率測試數據</b></p><p>　　由上面的數據可知電壓調整率。</p><p>　　5.2.2 負載調整率測試(電壓為18V)</p><p>　　負載調整率

33、是輸出電流從0變化到額定最大電流時，輸出電壓的變化量和輸出電壓的百分比。</p><p>　　測試方法：輸入電壓18V保持不變，通過對負載的調整使得電流由0至0.5A之間緩慢變換，分別記錄在不同電流情況下的數值，并在此條件下計算出負載調整率。具體的數值如下圖表所示。</p><p><b>　　負載調整率測試數據</b></p><p>　　

34、由上面的數據可知負載調整率為0.6%。</p><p>　　5.2.3 DC-DC變換器效率測試</p><p>　　測試條件是=20V， =30V，=0.5A 。測得電流為0.9A.</p><p><b>　　由P=/得，</b></p><p>　　P=0.85即效率為85%。 </p><p

35、>　　5.2.4輸出噪聲紋波電壓測試</p><p>　　波紋是在額定負載電流下，輸出紋波的有效值與輸出直流電壓之比。</p><p>　　當=20V， =30V，=0.5A時，測得的峰峰值為270mv </p><p><b>　　5.3測試結果分析</b></p><p><b>　　6 總結<

36、/b></p><p>　　總結這次的制作的過程，主要收獲有：在設計方面，我們使用A/D與D/A的轉化，并使用了兩個開關管來驅動，在一定程度上提高了效率。用單片機采樣，對電流和電壓進行檢測分析，并可通過鍵盤設計電壓的大小。在設計過程中所學習到的就是團結，團結是一個團隊必須要具備的基本精神，然后就是分工合作的必要性。另外就是平時要多動腦，多動手，多看書，多積累，理論和實際操作結合，才能有更貼切、更真實的體會。