开关稳压电源设计_稳压开关电源设计实例

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  摘要：本设计应用隔离型回扫式DC-DC电源变换技术完成开关稳压电源的设计及制作。系统主要由整流滤波电路，DC-DC变换电路，单片机显示与控制电路三部分组成。开关电源的集成控制由脉宽调制控制芯片UC3843及相关电路完成，利用单片机进行D/A转换，完成对输出电压的键盘设定和步进调整，同时由单片机A/D采集数据利用数码管显示出输出电压和电流。系统具有输出电压可调范围宽、噪声纹波电压低和DC-DC变换效率高等特点。此外，该系统还具有过流保护功能，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。
关键字：DC- DC，整流滤波，脉宽调制，A/D采集，D/A转换

一、 方案论证
  图1为开关电源系统的结构图，从图中可以看出，系统分为三个部分：电路电源、控制回路和显示设定部分。

1. DC-DC主回路拓扑结构
     主回路拓扑结构分为隔离式和非隔离式两种。非隔离式拓扑结构(图2所示)，只能获得低于输入电压的输出电压，而隔离式单端反激式拓朴结构(图3所示)的输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。其优点就是路电结构简单，适用于 200W以下的电源且多路输出交调特性相对较好。故我们讯用隔离式的拓扑结构。
   
2. 控制方法及实现方案
     方案一：采用脉冲频率调制PFM (Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输出电压的调整范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。
     方案二：采用脉冲宽度调制PWM (Pulse Wildth Modulation)的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比,控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。
   基于上述考虑及题目的具体要求，我们选用PWM调制方式。
   3．提高效率的方法及实现方案
      针对于提高效率的问题，我们想出了两种方案。
     方案一：降低开关变压器次级的输出整流管VD2的损耗，进而提高变换效率。可以选择肖特基二极管，其正向传输损耗低，而且不存在快回复整流管的反向回复损耗。
     方案二：使震荡器频率与开关变压器的频率相匹配，可以提高效率。采用RC震荡电路可以改变震荡频率，使之与开关变压器的频率相匹配，达到提高变换效率的目的。
   二、电路设计与参数计算
3. 主回路器件的选择及参数计算
   (1) 开关电源集成控制器
     相比于其他芯片，UC3843外电路接线简单，所用元器件少，且性能优越，成本低，驱动电平非常适合于MOS场效应管。
   (2) 推动功率管选择
     推动电路选择功率MOSFET场效应管，因为功率晶体管是电流驱动，场效应管是电压驱动，而且开关速度快，对温度不敏感。本设计需输出的最大功率为90W左右，同时输入电压为18V左右，故本设计采用P60NF06型MOSFET场效应管。
   (3) 开关变压器的设计
     开关变压器是一种以隔离方式传输能量的电抗器，和功率MOSFET管串联而成。
   电流临界连续时原边电感： ，其中Uimino 为变压器原边输入的最小直流电压，Ts为开关周期，P为输出功率，η为变换效率。
     开关变压器磁芯气隙为： ,B为铁芯工作磁感应强度，SC为铁芯截面积，K为最小输出功率与额定输出功率之比。
     原边绕组匝数为 原、副边绕组匝数比为 ,UD为输出整流二极管压降、U O2为副边绕组，N2为输出电压。同理可求得其他匝数比。
   2．控制电路设计与参数计算
     控制部分由UC3843产生的PWM波控制MOSFET管的开关状态，由于MOSFET管的开关状态使开关变压器的初级线圈产生交变电压，开关变压器的次级通过整流滤波电路输出所需的直流电压，同时通过TL431电压调整电路控制光耦回路，返回到UC3843的电压检测端，使之达到稳压。
     UC3843的工作频率
   
   3．效率的分析及参数计算
   (1) IO=2A，当U2从15V到21V时，电压调整率 。
   

(2) U2=18V，IO从0A到2A时，负载调整率

(3)DC-DC变换器效率 ,其中

4．保护电路设计与参数计算
  本设计具有两级保护功能：单片机软件控制保护和UC3843自带保护功能。
(1)在电源输出端，单片机利用电流传感器对电流进行取样，经过LM324放大器的放大作用后，被送入AD采集芯片AD1543中，转换成数字信号，单片机进行检测，当电流大于设定值时，单片机控制继电器断开负载，以保证电源的正常工作。
(2) UC3843正常工作时，检测电阻RS 峰值电压由内部误差放大器控制，满足 ,其中为UC为误差放大器的输出电压， IS为检测电流。
UC3843的内部电流测定比较器反相输入端箝位为1V，最大限制电流IS=1V/ RS 。在RS 和3脚之间，用R、C组成一小的滤波器，用于抑制功率管开通时产生的电流尖峰，其时间常数近似等于电流尖峰持续时间。
  当动作电流超过2.5A时，电源能自动断开负载，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。
5．数字设定及显示电路的设计
  如图所示，单片机检测键盘，并把键值送给DA转换芯片MAX504, 12位的数字信号被转换成模拟信号，送到电压调整部分，进而设定输出电压。单片机实时利用TLC1543芯片进行AD采集，将采集到的电压信号转换成12位数字信号，并送到数码管进行显示。

7.软件部分设计
  单片机系统流程图如图所示。

三、测试方法与数据

1. 测试方法
     将各电路模块连接起来，先输入18VAC，用万用表的电压档测量输出电压的可调范围；再用电流档测试最大输出电流；使输出电流固定为2A，调整U2从15V到21V，用万用表的电压档测量出UO变化范围；使U2固定为18V，调整IO从0A到2A，用万用表的电流档测量出UO变化范围；使U2=18V，UO=36V，IO=2A,利用示波器读出纹波的峰—峰值；使U2=18V，UO=36V，IO=2A，利用万用表的电压档测量出UIN 再用电流档测量出IIN 。

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