開關穩(wěn)壓電源摘要：本設計的開關電源由隔離變壓器、整流濾波和DCDC變換網絡組成。設計的關鍵是DCDC變換器，它包含了開關電源中的開關器件、儲能器件、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，而控制模塊的設計又是DC/DC的核心，我們使用PWM調制的專用芯片UC3842來實現DC/DC變換的控制模塊。芯片內部集成了振蕩器(由外接電阻電容來決定頻率)，誤差比較器，PWM調制器等，有保護電路和驅動電路。為達到電源數字化，顯示實時電壓值和使用按鍵步進輸出電壓值，采用了單片機AT89S52控制UC3842開關電源模塊的方法來實現。關鍵字：整流濾波 PWM調制 boost升壓 DC-DC變換器 一、 引言 電源是所有用電設備的心臟為設備提供動力。而直流開關電源是各種電源中應用范圍最廣和市場最大的一種，包括ACDC和DCDC。直流開關電源經過幾十年的發(fā)展，集中了許多高新技術，包括新型功率半導體器件、軟開關技術、功率因數校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術，已經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代直流開關電源。1.1 基本要求在電阻負載條件下，使電源滿足下述要求： （1）輸出電壓UO可調范圍：30V36V；（2）最大輸出電流IOmax：2A； （3）U2從15V變到21V時，電壓調整率SU2%（IO=2A）；（4）IO從0變到2A時，負載調整率SI5%（U2=18V）；（5）輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（6）DC-DC變換器的效率70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； （7）具有過流保護功能，動作電流IO（th）=2.50.2A；二、系統設計2.1方案選擇方案一：單片機來實現整個系統的控制。布線簡單，硬件設計節(jié)省時間；控制軟件編程工作量大、難度大；所有的控制都由單片機來實現，對單片機的硬件資源要求很高,這是單片機難于實現的。方案二：DC-DC主回路拓撲采用BOOST型DC-DC升壓方式，如圖1。使用單開關管，能降低開關管損耗，且控制容易，電路較為簡潔，但在功率較高的情況下，電感設計要求較高，經驗成分多，設計不好會造成過大的沖擊電流，影響效率也容易使開關管損壞。采用集成的開關電源控制芯片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用而設計，可具有可微調的振蕩器、能進行精確地占空比控制、高增益誤差放大器，擴展能力強，與單片機搭配，對系統的控制更為方便。故本次設計我們選用方案二。三 系統硬件電路設計3.1系統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提供驅動電壓。（2）PWM脈沖控制驅動電路，它的主體是一個UC3842芯片，以及它的外圍電路組成。用它的腳的輸出脈沖控制MOS管的工作，并且它自帶保護腳，很簡單方便。（3）輸出部分，它是由一個升壓直流斬波電路構成，結構原路簡單。Uin儲能電感L開關管IRF540UC3842DAC0832單片機Uout負載AD0809圖2 系統整體框圖3.2啟動電路啟動電路圖如圖3，輸入的220V交流電經過橋式整流以及C1C2濾波過后變成脈動的直流電壓，此電壓經通過電阻R2分壓給UC3842提供啟動電壓，當電壓達到16v時達到芯片的啟動電壓，UC3842開始工作并提供驅動脈沖， UC3842的啟動電壓大于16 V，啟動電流僅1 mA即可進入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時，工作電壓在1034 V之間，負載電流為15 mA。超出此限制，開關電源呈欠電壓或過電壓保護狀態(tài)，無驅動脈沖輸出。 圖3 整流濾波電路3.3 PWM脈沖控制驅動電路PWM脈沖控制驅動電路如圖4所示，UC3842誤差放大器的輸出端腳l與反相輸入端腳2之間外接補償網絡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)路得到最佳補償，可測試環(huán)路的穩(wěn)定度，測量I0脈動時輸出電壓V0的瞬態(tài)響應來加以判斷。當UC3842的腳電壓升高超過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鎖存器復位。根據UC3842關閉特性，可以很容易在電路中設置過壓保護和過流保護。本電路中R5上感應出的峰值電流形成逐個脈沖限流電路，當腳達到1V時就會出現限流現象，所以，整個電路中的電感磁性元件和功率開關管不必設計較大的余量，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, 更重要的是應具有開關快速和輸出功率大等優(yōu)點?？蛇x用IRF540N型開關管，完全可以滿足要求。圖4 PWM脈沖控制驅動電路3.4 電路輸出部分的設計根據設計要求，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)流二級管、電容及負載電阻組成。如圖5所示：圖5 電路輸出部分電路圖3.5 單片機控制UC3842開關電源模塊的結構設計開關穩(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發(fā)生改變，繼而使輸出電壓漂移，偏離設定的電壓值，用單片機系統構成的外部反饋正好可以彌補電壓漂移這一缺點。圖6是單片機控制UC3842開關電源模塊的原理框圖：AT單片機通過AT89S51模數轉換芯片接收UC3842開關電源的輸出信號，通過單片機內部計算后得出的電壓誤差結果再通過DAC0832數模轉換芯片轉換成模擬電壓反饋到UC3842開關電源模塊的Feedback 端進輸出電壓的調整，重復整個過程至此電壓穩(wěn)定在預定的輸出結果上，最終輸出電壓結果通過單片機控制液晶顯示器（LCD）顯示出來。圖6 單片機控制UC3842開關電源模塊的原理框圖在電壓的調整過程中，當出現輸出電流過大時，過流信號傳至單片機的INT0中斷口，由單片機調用中斷程序，通過P3.6口控制穩(wěn)壓電源中的繼電器工作，起到過流保護穩(wěn)壓電源的作用。3.6 重要元器件的參數計算3.6.1 斬波電路各元器件選擇（1）儲能電感L 根據輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4-4)得 （4-13）當輸出最大負載時至少應滿足電路工作在CCM模式下，即必須滿足式(9)。uH （4-14） 同時考慮在10額定負載以上電流連續(xù)的情況，實際設計時可以假設電路在額定輸出時，電感紋波電流為平均電流的2030，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，即 (4-15)由（4-7）和（4-15）可得 （4-16） L可選用電感量為180300H且通過5A以上電流不會飽和的電感器。電感的設計包括磁芯材料、尺寸、型號選擇及繞組匝數計算、線徑選用等。電路工作時重要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對電感性能和溫升影響很大，材質好的磁芯如環(huán)形鐵粉磁芯，承受峰值電流能力較強，EMI低。而選用線徑大的導線繞制電感，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，并傳導負載所需的最大電流。二極管的峰值電流Id(max)=ILP=5.11A，本電路可選用6A50V以上的快恢復二極管，若采用正向壓降低的肖特基二極管，整個電路的效率將得到提高。 輸出電容C2的選定取決于對輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯電阻ESR有關，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=0.3。 另外，為滿足輸出紋波電壓相對值的要求，濾波電容量應滿足 （4-17） 根據計算出的ESR值和容量值選擇電容器，由于低溫時ESR值增大，故應按低溫下的ESR來選擇電容。因此，選用200F50V以上頻率特性好的電解電容可滿足要求。 3.6.2 單片機參與控制的BOOST開關電源電路參數單片機參與控制的BOOST開關電源電路圖如圖5所示。由圖7所設計的電源輸出Vout結合UC3842S DATASHEEF in Application Noet中的計算手冊如下式： （1）圖7 單片機參與控制的BOOST開關電源電路圖顯然，當DAC輸出Vdac變化時，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DAC輸出Vdac電壓范圍為05 V。設開關電源的電壓調整范圍為2838 V，則電壓變化幅Dout=38-28=10V。所以R2與Rdac 的比值滿足： （2）即：，設在沒有DAC輸出Vdac電壓的作用下，Vout=30 V，則 (3) 即：，令=10k ，由上述式（1）、（2）得：R1=1.52k、R2=20k。綜上述：當=10k、R1=1.52K、=20k，DAC輸出電壓范圍為05 V時，開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓在2838范圍內可調。且DAC輸出每上升電壓U，將引起開關電源輸出電壓下降2U。DAC08032為8-bit 的數-模轉換器，DAC輸出電壓分辨率U5/2550.019 6 V，所以開關電源輸出最小調節(jié)量為2U0.039 2 V。四、軟件設計軟件流程圖如圖8所示：圖8五、總結電子設備離不開電源，電源是電子設備的重要組成部分，電源的質量直接影響開關電子設備工作的可靠性。本次我們設計boost 開關穩(wěn)壓電源，通過開關電源的設計，在進行硬件的驗證，對分析結果進行驗證。系統的開關變換器的工作原理使用的是PWM（即脈寬調制法），這種方式中，電子開關按外加的控制脈沖信號而通斷，與本身流過的電流、二端所加的電壓無關。此次設計中，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行，功能無法實現，經過排查，終于成功。在調試過程中，為了判斷開關管是否工作通過接入一個發(fā)光二極管進行驗證使得電阻燒壞，經過仔細查找，最終發(fā)現并解決了問題。通過此次設計使得我們的專業(yè)知識都有了顯著地提高，也對電源更加的了解。最后感謝老師的們的細心指導。六、參考文獻1 李雅軒，楊秀美，李艷萍電力電子技術M北京：中國電力出版社2007，2 錢照明，袁義生開關電源EMC設計研究現狀及發(fā)展J電子產品世界20033 王小雙AT89S51單片機控制的開關電源J通訊電源技術 4 陶永華新型PID 控制及其應用M北京：機械工業(yè)出版社， 20025 何躍，林春梅PID 控制系統的參數選擇研究及應用J計算機工程與設計2006（8）：1496-14986王永平，史俊杰，田慶安開關穩(wěn)壓電源-原理，設計及實用電路（修訂版）M西安電子科技大學出版社2006七、附件附件一、整體電路圖圖9附件二、測試報告1.電壓調整率設定Uo 30V U2 (V)實測Uo （V） 調整率 15 1617181920212、負載調整率設定Uo 30V IO (A)實測Uo （V） 調整率 0.511.523.效率測量調整 Uo 36V，調整負載使IO 2A。測得Uin= Iin= 所以附件三、主要程序代碼/*包含各個頭文件*/#include <reg52.h>#include<intrins.h>#include "AD0804.h"#include "DA0832.h"#include "12864.h"#include "keyscan.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit SET=P34; /定義調整鍵sbit DEC=P32; /定義減少鍵sbit ADD=P33; /定義增加鍵/*AD0804端口定義*sbit ADCS=P35;sbit ADWR=P36;sbit ADRD=P37;/*DA0832端口定義*sbit DACS=P26;sbit DAWR=P27;uchar temp=30;/液晶顯示默認值 /uchar Vin;uchar set_st=0;/狀態(tài)標志 /* *函數名：DelayMs(uint t); *功能：延時t ms *參數：t *返回值：無 */void DelayMs(uint t)uint i,j;for(i=t;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-); /*按鍵設定輸出電壓*/void keyscan() if(SET=0) DelayMs(10); dowhile(SET=0); set_st+; if(set_st>1)set_st=0; if(set_st=0) EX0=0; /關閉外部中斷0 EX1=0; /關閉外部中斷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); dowhile(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); dowhile(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IT0=1; IT1=1;/*主函數*/void main()uchar a,A,adval;ADCS=0;DelayMs(20);Lcd_Init();Lcd_Init();Init();Lcd_pos(0,1); lcd_Writestring("開關穩(wěn)壓電源");Lcd_pos(1,0);lcd_Writestring("設定電壓:");Lcd_pos(2,0);lcd_Writestring("輸出電壓:");while(1)keyscan();/*啟動AD轉換*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(108<adval&&adval<=144)A=33; else if(144<adval&&adval<=180)A=34; else if(180<adval&&adval<=216)A=35; else A=36; for(a=10;a>0;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服務程序*/void int0(void) interrupt 0EX0=0; /關外部中斷0if(DEC=0&&set_st=1) temp-;DelayMs(10);if(temp<=30)temp=30;/*外部中斷1服務程序*/void int1(void) interrupt 2EX1=0; /關外部中斷1if(ADD=0&&set_st=1) temp+;DelayMs(10);if(temp>=36)temp=36;