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開關(guān)穩(wěn)壓電源 摘要：本設(shè)計(jì)的開關(guān)電源由隔離變壓器、整流濾波和DC—DC變換網(wǎng)絡(luò)組成。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是DC～DC變換器，它包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件和控制模塊，而控制模塊的設(shè)計(jì)又是DC/DC的核心，我們使用PWM調(diào)制的專用芯片UC3842來實(shí)現(xiàn)DC/DC變換的控制模塊。芯片內(nèi)部集成了振蕩器(由外接電阻電容來決定頻率)，誤差比較器，PWM調(diào)制器等，有保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路。為達(dá)到電源數(shù)字化，顯示實(shí)時(shí)電壓值和使用按鍵步進(jìn)輸出電壓值，采用了單片機(jī)AT89S52控制UC3842開關(guān)電源模塊的方法來實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵字：整流濾波 PWM調(diào)制 boost升壓 DC-DC變換器 一、 引言 電源是所有用電設(shè)備的心臟．為設(shè)備提供動(dòng)力。而直流開關(guān)電源是各種電源中應(yīng)用范圍最廣和市場(chǎng)最大的一種，包括AC／DC和DC／DC。直流開關(guān)電源經(jīng)過幾十年的發(fā)展，集中了許多高新技術(shù)，包括新型功率半導(dǎo)體器件、軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、同步整流技術(shù)、智能化技術(shù)、表面安裝技術(shù)，已經(jīng)形成了具有高工作頻率、高效率、高功率密度、高可靠性等特征的現(xiàn)代直流開關(guān)電源。 1.1 基本要求 在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足下述要求： （1）輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V～36V； （2）最大輸出電流IOmax：2A； （3）U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）； （4）IO從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI≤5%（U2=18V）； （5）輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； （6）DC-DC變換器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； （7）具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流IO（th）=2.50.2A； 二、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1方案選擇 方案一： 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。布線簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)節(jié)省時(shí)間；控制軟件編程工作量大、難度大；所有的控制都由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)單片機(jī)的硬件資源要求很高,這是單片機(jī)難于實(shí)現(xiàn)的。 方案二： DC-DC主回路拓?fù)洳捎肂OOST型DC-DC升壓方式，如圖1。使用單開關(guān)管，能降低開關(guān)管損耗，且控制容易，電路較為簡(jiǎn)潔，但在功率較高的情況下，電感設(shè)計(jì)要求較高，經(jīng)驗(yàn)成分多，設(shè)計(jì)不好會(huì)造成過大的沖擊電流，影響效率也容易使開關(guān)管損壞。采用集成的開關(guān)電源控制芯片UC3842，外圍器件少，PWM波形精確，性能良好。 圖1 BOOST升壓電路 綜合考慮，UC3842 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化器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確地占空比控制、高增益誤差放大器，擴(kuò)展能力強(qiáng)，與單片機(jī)搭配，對(duì)系統(tǒng)的控制更為方便。故本次設(shè)計(jì)我們選用方案二。 三 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)整體框圖 整體電路圖如圖2所示，電路圖由三部分組成 （1）啟動(dòng)電路，即降壓整流濾波電路，這部分主要是得到DC-DC的輸入電壓和為UC3842提供驅(qū)動(dòng)電壓。 （2）PWM脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路，它的主體是一個(gè)UC3842芯片，以及它的外圍電路組成。用它的⑥腳的輸出脈沖控制MOS管的工作，并且它自帶保護(hù)腳③，很簡(jiǎn)單方便。 （3）輸出部分，它是由一個(gè)升壓直流斬波電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)原路簡(jiǎn)單。 Uin 儲(chǔ)能電感L 開關(guān)管IRF540 UC3842 DAC0832 單片機(jī) Uout 負(fù)載 AD0809 圖2 系統(tǒng)整體框圖 3.2啟動(dòng)電路 啟動(dòng)電路圖如圖3，輸入的220V交流電經(jīng)過橋式整流以及C1C2濾波過后變成脈動(dòng)的直流電壓，此電壓經(jīng)通過電阻R2分壓給UC3842提供啟動(dòng)電壓，當(dāng)電壓達(dá)到16v時(shí)達(dá)到芯片的啟動(dòng)電壓，UC3842開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖， UC3842的啟動(dòng)電壓大于16 V，啟動(dòng)電流僅1 mA即可進(jìn)入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時(shí)，工作電壓在10～34 V之間，負(fù)載電流為15 mA。超出此限制，開關(guān)電源呈欠電壓或過電壓保護(hù)狀態(tài)，無驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。 圖3 整流濾波電路 3.3 PWM脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路 PWM脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，UC3842誤差放大器的輸出端腳l與反相輸入端腳2之間外接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)R3、C2。 R3、C2的取值取決于UC3842環(huán)路電壓增益、額定輸出電流和輸出電容，通過改變R3、C2的值可改變放大器閉環(huán)增益和頻響。為使環(huán)路得到最佳補(bǔ)償，可測(cè)試環(huán)路的穩(wěn)定度，測(cè)量I0脈動(dòng)時(shí)輸出電壓V0的瞬態(tài)響應(yīng)來加以判斷。當(dāng)UC3842的腳③電壓升高超過1V或腳1電壓降到1V以下，都可使PWM比較器輸出高電平，造成PWM鎖存器復(fù)位。根據(jù)UC3842關(guān)閉特性，可以很容易在電路中設(shè)置過壓保護(hù)和過流保護(hù)。本電路中R5上感應(yīng)出的峰值電流形成逐個(gè)脈沖限流電路，當(dāng)腳③達(dá)到1V時(shí)就會(huì)出現(xiàn)限流現(xiàn)象，所以，整個(gè)電路中的電感磁性元件和功率開關(guān)管不必設(shè)計(jì)較大的余量，就能保證穩(wěn)壓電路工作可靠，降低成本。 作為開關(guān)器件使用的晶體管, 除了要具有放大特性以外, 更重要的是應(yīng)具有開關(guān)快速和輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)?？蛇x用IRF540N型開關(guān)管，完全可以滿足要求。 圖4 PWM脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路 3.4 電路輸出部分的設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出電路部分采用升壓式斬波電路。這一部分電路由電感、續(xù)流二級(jí)管、電容及負(fù)載電阻組成。如圖5所示： 圖5 電路輸出部分電路圖 3.5 單片機(jī)控制UC3842開關(guān)電源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 開關(guān)穩(wěn)壓電源在長期工作中，分立元件（電阻、電容等）容易受溫度等因素的影響而使自身參數(shù)發(fā)生改變，繼而使輸出電壓漂移，偏離設(shè)定的電壓值，用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的外部反饋正好可以彌補(bǔ)電壓漂移這一缺點(diǎn)。圖6是單片機(jī)控制UC3842開關(guān)電源模塊的原理框圖：AT單片機(jī)通過AT89S51模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片接收UC3842開關(guān)電源的輸出信號(hào)，通過單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算后得出的電壓誤差結(jié)果再通過DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓反饋到UC3842開關(guān)電源模塊的Feedback 端進(jìn)輸出電壓的調(diào)整，重復(fù)整個(gè)過程至此電壓穩(wěn)定在預(yù)定的輸出結(jié)果上，最終輸出電壓結(jié)果通過單片機(jī)控制液晶顯示器（LCD）顯示出來。 圖6 單片機(jī)控制UC3842開關(guān)電源模塊的原理框圖 在電壓的調(diào)整過程中，當(dāng)出現(xiàn)輸出電流過大時(shí)，過流信號(hào)傳至單片機(jī)的INT0中斷口，由單片機(jī)調(diào)用中斷程序，通過P3.6口控制穩(wěn)壓電源中的繼電器工作，起到過流保護(hù)穩(wěn)壓電源的作用。 3.6 重要元器件的參數(shù)計(jì)算 3.6.1 斬波電路各元器件選擇 （1）儲(chǔ)能電感L 根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4-4)得 （4-13） 當(dāng)輸出最大負(fù)載時(shí)至少應(yīng)滿足電路工作在CCM模式下，即必須滿足式(9)。 uH （4-14） 同時(shí)考慮在10％額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以假設(shè)電路在額定輸出時(shí)，電感紋波電流為平均電流的20％~30％，因增加△IL可以減小電感L，但為不增加輸出紋波電壓而須增大輸出電容C2，取30％為平衡點(diǎn)，即 (4-15) 由（4-7）和（4-15）可得 （4-16） L可選用電感量為180~300μH且通過5A以上電流不會(huì)飽和的電感器。電感的設(shè)計(jì)包括磁芯材料、尺寸、型號(hào)選擇及繞組匝數(shù)計(jì)算、線徑選用等。電路工作時(shí)重要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對(duì)電感性能和溫升影響很大，材質(zhì)好的磁芯如環(huán)形鐵粉磁芯，承受峰值電流能力較強(qiáng)，EMI低。而選用線徑大的導(dǎo)線繞制電感，能有效降低電感的溫升。 （2）輸出二極管D和輸出電容器C的選擇 升壓電路中輸出二極管D必須承受和輸出電壓值相等的反向電壓，并傳導(dǎo)負(fù)載所需的最大電流。二極管的峰值電流Id(max)=ILP=5.11A，本電路可選用6A／50V以上的快恢復(fù)二極管，若采用正向壓降低的肖特基二極管，整個(gè)電路的效率將得到提高。 輸出電容C2的選定取決于對(duì)輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容器的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。 電容的ESR<△V0/△IL=40x1％/1.33=0.3Ω。 另外，為滿足輸出紋波電壓相對(duì)值的要求，濾波電容量應(yīng)滿足 （4-17） 根據(jù)計(jì)算出的ESR值和容量值選擇電容器，由于低溫時(shí)ESR值增大，故應(yīng)按低溫下的ESR來選擇電容。因此，選用200μF／50V以上頻率特性好的電解電容可滿足要求。 3.6.2 單片機(jī)參與控制的BOOST開關(guān)電源電路參數(shù) 單片機(jī)參與控制的BOOST開關(guān)電源電路圖如圖5所示。由圖7所設(shè)計(jì)的電源輸出Vout結(jié)合UC3842S DATASHEEF in Application Noet中的計(jì)算手冊(cè)如下式： （1） 圖7 單片機(jī)參與控制的BOOST開關(guān)電源電路圖 顯然，當(dāng)DAC輸出Vdac變化時(shí)，Vout隨之改變電壓。在穩(wěn)態(tài)工作下，流過R1的電流恒為2.5/R1。同時(shí)DAC輸出Vdac電壓范圍為0～5 V。設(shè)開關(guān)電源的電壓調(diào)整范圍為28～38 V，則電壓變化幅Dout=38-28=10V。 所以R2與Rdac 的比值滿足： （2） 即：，設(shè)在沒有DAC輸出Vdac電壓的作用下，Vout=30 V，則 (3) 即：，令=10k Ω，由上述式（1）、（2）得：R1=1.52kΩ、R2=20kΩ。 綜上述：當(dāng)=10kΩ、R1=1.52KΩ、=20kΩ，DAC輸出電壓范圍為0～5 V時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓在28ｖ～38ｖ范圍內(nèi)可調(diào)。且DAC輸出每上升電壓△U，將引起開關(guān)電源輸出電壓下降2△U。DAC08032為8-bit 的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，DAC輸出電壓分辨率△U＝5/255≈0.019 6 V，所以開關(guān)電源輸出最小調(diào)節(jié)量為2△U＝0.039 2 V。 四、軟件設(shè)計(jì) 軟件流程圖如圖8所示： 圖8 五、總結(jié) 電子設(shè)備離不開電源，電源是電子設(shè)備的重要組成部分，電源的質(zhì)量直接影響開關(guān)電子設(shè)備工作的可靠性。本次我們?cè)O(shè)計(jì)boost 開關(guān)穩(wěn)壓電源，通過開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行硬件的驗(yàn)證，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)的開關(guān)變換器的工作原理使用的是PWM（即脈寬調(diào)制法），這種方式中，電子開關(guān)按外加的控制脈沖信號(hào)而通斷，與本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)。此次設(shè)計(jì)中，也遇到了很多問題，我們一開始由于未加反饋，使得電路無法正常運(yùn)行，功能無法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過排查，終于成功。在調(diào)試過程中，為了判斷開關(guān)管是否工作通過接入一個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行驗(yàn)證使得電阻燒壞，經(jīng)過仔細(xì)查找，最終發(fā)現(xiàn)并解決了問題。通過此次設(shè)計(jì)使得我們的專業(yè)知識(shí)都有了顯著地提高，也對(duì)電源更加的了解。最后感謝老師的們的細(xì)心指導(dǎo)。 六、參考文獻(xiàn) [1] 李雅軒，楊秀美，李艷萍．電力電子技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社．2007， [2] 錢照明，袁義生．開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．電子產(chǎn)品世界．2003 [3] 王小雙．AT89S51單片機(jī)控制的開關(guān)電源[J]．通訊電源技術(shù)． [4] 陶永華．新型PID 控制及其應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002 [5] 何躍，林春梅．PID 控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇研究及應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)．2006（8）：1496-1498 [6]王永平，史俊杰，田慶安．開關(guān)穩(wěn)壓電源-原理，設(shè)計(jì)及實(shí)用電路（修訂版）[M]．西安電子科技大學(xué)出版社．2006 七、附件 附件一、整體電路圖 圖9 附件二、測(cè)試報(bào)告 1.電壓調(diào)整率 設(shè)定Uo ＝ 30V U2 (V) 實(shí)測(cè)Uo （V） 調(diào)整率 15 16 17 18 19 20 21 2、負(fù)載調(diào)整率 設(shè)定Uo ＝ 30V IO (A) 實(shí)測(cè)Uo （V） 調(diào)整率 0.5 1 1.5 2 3.效率測(cè)量 調(diào)整 Uo ＝ 36V，調(diào)整負(fù)載使IO ＝ 2A。 測(cè)得Uin= Iin= 所以 ＝ 附件三、主要程序代碼 //****包含各個(gè)頭文件********************// #include #include #include "AD0804.h" #include "DA0832.h" #include "12864.h" #include "keyscan.h" #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit SET=P3^4; //定義調(diào)整鍵 sbit DEC=P3^2; //定義減少鍵 sbit ADD=P3^3; //定義增加鍵 //*******AD0804端口定義******************** sbit ADCS=P3^5; sbit ADWR=P3^6; sbit ADRD=P3^7; //*******DA0832端口定義******************** sbit DACS=P2^6; sbit DAWR=P2^7; uchar temp=30;//液晶顯示默認(rèn)值 //uchar Vin; uchar set_st=0;//狀態(tài)標(biāo)志 /***************************************** *函數(shù)名：DelayMs(uint t); *功能：延時(shí)t ms *參數(shù)：t *返回值：無 ****************************************/ void DelayMs(uint t) { uint i,j; for(i=t;i>0;i--) { for(j=110;j>0;j--); } } //**********按鍵設(shè)定輸出電壓***********// void keyscan() { if(SET==0){ DelayMs(10); do{}while(SET==0); set_st++; if(set_st>1)set_st=0; } if(set_st==0){ EX0=0; //關(guān)閉外部中斷0 EX1=0; //關(guān)閉外部中斷1 Lcd_pos(1,13);Lcd_WriteData(temp/10+0X30); Lcd_pos(1,14);Lcd_WriteData(temp%10+0X30); Lcd_pos(1,15);lcd_Writestring("V"); } else if(set_st==1){ EX0=1; //開啟外部中斷0 EX1=1; //開啟外部中斷1 if(ADD==0){ DelayMs(10); do{}while(ADD==0); Lcd_pos(1,13); Lcd_WriteData(temp/10+0X30); Lcd_pos(1,14);Lcd_WriteData(temp%10+0X30); Lcd_pos(1,15);lcd_Writestring("V"); } if(DEC==0){ DelayMs(10); do{}while(DEC==0); Lcd_pos(1,13); Lcd_WriteData(temp/10+0X30); Lcd_pos(1,14); Lcd_WriteData(temp%10+0X30); Lcd_pos(1,15);lcd_Writestring("V"); } } } //******外部中斷初始化***************************// void Init() { EA=1; //全局中斷開關(guān) IT0=1; IT1=1; } //********主函數(shù)*************************// void main() { uchar a,A,adval; ADCS=0; DelayMs(20); Lcd_Init(); Lcd_Init(); Init(); Lcd_pos(0,1); lcd_Writestring("開關(guān)穩(wěn)壓電源"); Lcd_pos(1,0);lcd_Writestring("設(shè)定電壓:"); Lcd_pos(2,0);lcd_Writestring("輸出電壓:"); while(1) { keyscan(); //*********啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換*************** ADWR=1;_nop_(); ADWR=0;_nop_(); ADWR=1; //********************************** ADRD=1; _nop_(); ADRD=0; _nop_(); adval=P1; ADRD=1; if(adval>=0&&adval<=36)A=30; else if(adval>36&&adval<=72)A=31; else if(adval>72&&adval<=108)A=32; else if(1080;a--) { Lcd_pos(2,13);Lcd_WriteData(A/10+0X30); Lcd_pos(2,14);Lcd_WriteData(A%10+0X30); Lcd_pos(2,15);lcd_Writestring("V"); } } } /*****外部中斷0服務(wù)程序*****/ void int0(void) interrupt 0 { EX0=0; //關(guān)外部中斷0 if(DEC==0&&set_st==1) { temp--; DelayMs(10); if(temp<=30)temp=30; } } /*****外部中斷1服務(wù)程序*****/ void int1(void) interrupt 2 { EX1=0; //關(guān)外部中斷1 if(ADD==0&&set_st==1) { temp++;DelayMs(10); if(temp>=36)temp=36; } }