1、開關穩壓電源（E題）摘要本系統的設計電路由AC-DC變換電路、DC-DC變換電路、數字設定與顯示電路、保護和測量電路等四部分組成。AC-DC變換電路：由自耦變壓器、隔離變壓器、橋式整流堆、和濾波電容等元件組成，可以在隔離變壓器副邊輸出1521的電壓，濾波后給DC-DC提供直流電壓。DC-DC變換電路:采用Boost型拓撲結構，含有單片機、TL494固定頻率脈寬調制電路,快速場效應管、電感等。數字設定與顯示電路與保護和測量電路包括單片機、LCD、4×4鍵盤和D/A等組成。由單片機通過A/D轉換測量輸出電壓和電流，控制TL494的輸出脈寬。實現輸出電壓3036可調、過流保護、輸出電流、輸

2、出電壓和輸出功率的顯示等功能。 【關鍵詞】拓撲 脈寬調制 場效應管 調整率 過流保護1方案論證本設計是根據本次電子競賽題目的基本要求所制作的開關穩壓電源，系統分為AC-DC變換電路、DC-DC變換電路、數字設定與顯示電路、保護和測量電路等四部分。現對系統重要部分作方案論證。1.1 DC-DC主回路拓撲的選擇根據題目要求DC-DC變換器由以下兩種方案可實現：1）采用Boost型拓撲結構變換器實現；2）采用推挽型拓撲結構變換器實現。Boost變換器容易實現，且技術成熟；推挽變換器中可能出現單向偏磁飽和，容易使開關管損壞。經比較，決定主回路拓撲結構采用Boost型拓撲結構變換器。1.2 控制方法方案

3、一 脈沖寬度控制  脈沖寬度控制是指開關工作頻率(即開關周期)固定的情況下直接通過改變導通時間來控制輸出電壓大小的一種方式。因為改變開關導通時間就是改變開關控制電壓的脈沖寬度，因此又稱脈沖寬度調制(PWM)控制。 方案二 脈沖頻率控制 脈沖頻率控制是指開關控制電壓的脈沖寬度不變的情況下，通過改變開關工作頻率(改變單位時間的脈沖數，即改變T)而達到控制輸出電壓大小的一種方式，又稱脈沖頻率調制(PFM)控制。PWM控制方式因為采用了固定的開關頻率，因此，設計濾波電路時就簡單方便,而脈沖頻率控制方式開關頻率不確定，濾波電路較復雜，對硬件要求高。所以采用方案一 作為控制方法。1.3

4、提高效率的方法提高開關電源的效率方法：(1)采用軟開關PWM變換控制技術提高效率； (2)改進驅動電路及優選參數提高效率；(3)改進緩沖吸收電路及參數選取提高效率；(4)改進磁性部件的設計提高效率；(5)正確選取功率器件，降低損耗提高效率等。本設計采用提高效率的方法有：(1)改進緩沖吸收電路及參數選取提高效率； (2)改進磁性部件的設計提高效率；(3)正確選取功率器件，降低開關損耗提高效率。以過驗證，本設計的系統原理框圖如圖1-1：圖1-1 系統原理框圖220V交流電壓經整流濾波后，得到約89的直流電壓加到DC-DC變換器上，用脈寬調制電路產生的雙列脈沖信號去驅動場效應管，通過功率變壓器的耦合

5、和隔離作用在次級得到準方波電壓，經整流濾波反饋控制后可得到穩定的直流輸出電壓。2電路設計2.1 主回路電路原理圖Boost變換器是DC-DC變換器中、最易于實現的、最常用的、最成熟的和輸出電壓等于或小于輸入電壓的非隔離型變壓電路，且輸入與輸出負端是公共端。原理圖如下：圖2-1 Boost原理圖2.2 控制電路設計與參數計算控制電路以脈寬調制電路TL494為控制核心。其內部功能框圖與基本單元電路如圖2-1所示。TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于開關電源的各種拓撲結構。 TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調制電路，內置了線性鋸齒波振蕩器，

6、振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調節，其振蕩頻率如下：圖 2-2內部功能框圖與基本單元電路圖2-3 TL494應用原理圖如圖2-3所示本設計fosc=43KHz,根據得fos=1.1÷(C1×R1)得R1=43K2.3 效率的分析及計算開關電源由于其功率變換裝置工作在高頻開關狀態，與線性穩壓電源相比，具有體積小、效率高等特點。但是，開關電源的損耗是開關電源實現高頻化、小型化的障礙。造成效率降低的原因很多，主要有：1）變換器控制技術不合理；2）功率開關管柵極驅動電路參數設計和布局不合理；3）高頻變壓器設計出現問題；4）吸收回路的電路結構及參數選取不合理；5）濾波電感

7、線圈設計出現問題；6）開關管的特性引起的問題等。效率的計算公式如下：2.4 保護電路設計與參數計算過電流保護是一種電源負載保護功能，以避免發生包括輸出端子上的短路在內的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。通過在輸出端接入反饋電阻由單片機通過A/D轉換監測輸出電流值，在電流值高于2.5A時關斷電路。考慮到負載會消耗功率，降低DC-DC的效率，采樣電阻選用3W,0.5的電阻。2.5 數字設定及測量顯示電路的設計數字設定及測量顯示部分由AVR ATMEGA16單片機、4×4鍵盤和128×64液晶顯示器構成。與普通的LED相比，液晶顯示界面與操作界更友好。 單片機程序采用C語言編寫，

8、與其他語言相比，具有簡單、方便、移植性好及可讀性強等優點。系統程序設計分成了兩個模塊，即主控程序模塊和中斷服務程序模塊。如果圖2-4所示主控程序工作原理是，在單片機上電后對D/A芯片、A/D、液晶顯示器等進行初始化。然后進行鍵盤掃描并根據鍵盤的設置值，進行相應的顯示，在A/D轉換完成后產生中斷并進入中斷服務程序對A/D轉換的數據進行處理。中斷服務程序流程圖見圖2-5。 圖2-4 單片機主控程序流程圖 圖2-5單片機中斷服務程序流程圖3系統測試3.1 測試方法 出于安全考慮，在系統測試過程中用到了5只數字萬用表。其中有監測隔離變壓器的副邊電壓、UIN、IIN、輸出電壓和輸出電流。用示波器檢測輸出

9、波型，觀察紋波，及TL494的輸出波形，并記錄數據。3.2 測試儀器1) 40MHz模擬示波器（雙通道） 1 臺2) 普通數字萬用表 4只 3) 四位半數字萬用表 1只4) 單相自耦調壓器 1個3.3 測試主要數據 輸出電壓可調范圍(見表41)表4-1設定值實際輸出值30V30.01V31V31.00V32V31.99V33V33.00V34V33.99V35v35.00V36V36.01V 輸出最大電流理論值：2A; 實測值: 2A 電壓調整率設定值為36V:當U2=15V IO=2A 時: UO=35.96V; 當U2=18V IO=2A 時 UO=35.93V;當U2=21V IO=2A

10、 時: UO=35.95V;可得電壓調整率0.2負載調整率當U2=18V IO=0A 設定值為36V時 UO=36.08V; 當U2=18V IO=2A 設定值為36時 UO=35.93V;可得負載調整率0.5 DC-DC變換器的效率當UIN=24V IIN=3.66A時U2=18V IO=2AUO=36V效率=81.94測試結果分析總結通過測試數據所示，本設計基本完成了競賽題目的要求，有些指標超過了發揮部分的一些要求。但也有些指標沒有達到，如效率還沒達到發揮部分的最高要求。效率沒有達到是因為場效應管發熱、變壓器等器件參數不精確而造成的。可以加強場效應管的散熱裝置，及適當選用電感、變壓器等元件來提高DC-DC的效率。本設計具有結構簡單、操作界面及顯示界面友好、相位穩定度高等特點。附錄：測量數據）輸出電壓可調范圍設定值實際輸出值3