2022年开关稳压电源设计分析方案_国赛一等奖_大学生电子设计竞赛.docx

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1、精品学习资源开关稳压电 源E 题）摘要本系统以Boost 升压斩波电路为核心，以MSP430 单片机为主掌握器和PWM 信号发生器，依据反馈信号对PWM 信号做出调整，进行牢靠的闭环控 制，从而实现稳压输出；系统输出直流电压30V 36V 可调，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到2A ，电压调整率和负载调整率低，DC-DC 变换器的效率达到 93.97%；能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示；系统特色： 1）输出电压反馈采纳“同步采样”方式，能有效防止电压尖峰对信号检测的影响； 2）采纳多种有效措施降低系统的电磁干扰EMI ），增强电磁兼容性 ，通过转变PWM掌握信号的占空

2、比可以相应实现输出电压的变 化；该电路实行直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简洁，损耗较小，效率较高；LVDECUOR L图 1-2 Boost升压斩波电路拓扑结构综合比较，我们挑选方案二；1.2 掌握方法及实现方案方案一 利用 PWM专用芯片产生PWM掌握信号；此法较易实现，工作较稳固，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整；方案二利用单片机产生 PWM掌握信号；让单片机依据反馈信号对PWM信号欢迎下载精品学习资源做出相应调整以实现稳压输出；这种方案实现起来较为敏捷，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化；但是系统调试比较复杂；在这里我们挑选方案二；1.3 系统总体框图欢迎下载精品学习

3、资源隔 离ACAC变 压 器整 流BoostDC滤 波升压电路DC输 出DC负 载滤 波欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源MCU键 盘主掌握器保 护 电 路显 示 电 路欢迎下载精品学习资源图 1-3系统总体框图1.4 提高效率的方法及实现方案1） Boost 升压斩波电路中开关管的选取 ：电力晶体管 GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管 PWM 驱动电路b） Boost 升压基本电路欢迎下载精品学习资源2.1.1 开关场效应管的挑选挑选导通电阻小的 IRF540 作为开关管，其导通电阻仅为 77m VGS=10V, I D=17A）； IRF540 击穿电压 VDSS

4、 为 55V ，漏极电流最大值为 28AVGS =10 V， 25C），答应最大管耗 PCM可达 50W，完全满意电路要求；2.1.2 PWM 驱动电路器件的挑选单片机 I/O口输出电压较低、驱动才能不强，我们使用专用驱动芯片 IR2302；其导通上升时间和关断下降时间分别为130 ns 和 50 ns ，可以实现电力场效应管的高速开通和关断； IR2302 仍具有欠压爱护功能；2.1.3 肖特基二极管的挑选挑选 ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1 A 电流时仅为0.35V ，并且复原时间短；实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联；2.1.4 电感的参数运算1）

5、 电感值的运算：2其中， m 是脉动电流与平均电流之比取为0.25 ，开关频率 f=20 kHz, 输出电压为 36V时， LB=527.48 H，取 530H；2） 电感线径的运算：最大电流 I L 为 2.5A ，电流密度 J 取 4 A/mm，线径为 d,就由得 d=0.892 mm,工作频率为 20kHz, 需考虑趋肤效应，制作中实行多线并绕方式，既不过流使用，又防止了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小；2.1.5 电容的参数运算其中， UO 为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,U O=36V 时,CB=1465F,取为 2000 F，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的

6、串联等效电阻ESR），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压；2.2 输出滤波电路的设计与参数运算 欢迎下载精品学习资源1）输入过流爱护在直流输入端串联一支保险丝 250V，5A），从而实现过流爱护；2）输出过流爱护输出端串接电流采样电阻RTEST2，材料选用温漂小的康铜丝；电压信号需放大后送给单片机进行 A/D 采样；过流故障解除后，系统将自动复原正常供电状态；3）逐波过流爱护逐波过流爱护在每个开关周期内对电流进行检测，过流时强行关断，防止场效应管烧坏；详细实现电路见附录图5a）；考虑到 MOS管开通时的尖锋电流可能使逐波过流爱护电路误动作，加入如附录图5b）所示电路；2.4.2 反接爱

7、护反接爱护功能由二极管和保险丝实现，电路如附录图3a）；2.4.3 过热爱护通过热敏电阻检测场效应管的温度，温度过高时关断场效应管；2.4.4 防开机“浪涌”爱护用 NTC 电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，见附录图3a）；2.4.5 场效应管欠压爱护利用 IR2302 的欠压爱护功能，对其电源电压进行检测，使场效应管严格工作在非饱和区或截止区，防止场效应管进入饱和区而损坏；2.5 数字设定及显示电路的设计分别通过键盘和LCD 实现数字设定和显示；键盘用来设定和调整输出电压；输出电压、输出电流和输入电压的量值通过LCD显示；电路接口见附录；2.6 效率的分析及运算 U2=18V,输出电压 UO=

8、36V,输出电流 I O=2A）DC-DC 电 路 输 入 电 压UIN =1.2*U2-2V=19.6V ， 信 号 占 空 比 D 1-UIN /UO=0.456，输入电压有效值 IIN=IO/1-D）=3.676A，输出功率 PO=UO*I O=72 W下面运算电路中的损耗 P损耗： 1）Boost 电路中电感的损耗：其中， DCR1 为电感的直流电阻，取为 50 m，代入可得 PDCR1=0.68 W 2）Boost 电路中开关管的损耗开关损耗 PSW=0.5*U IN*I INt r+t f ）*f其中， t r 是开关上升时间，为 190ns,t f 是开关下降时间，为 110ns

9、,f是开关频率，为 20 kHz, 代入可得 PSW=0.2160 W导通损耗其中，导通电阻 RDSO=N 77 m，电流感应电阻 RSNS取 0.1，代入得 PC=1.23W3）肖特基二极管的损耗流过二极管的电流值与输出电流I 0 相等，就二极管损耗其中， I O=2 A, 取二极管压降 VD为 0.35 V ，代入可得 PD=0.7 W 4）两只采样电阻上的总损耗为 0.9 W 运算过程见附录 2）其他部分的损耗约为 0.8W，详细运算过程见附录 2；综上，电路中的总损耗功率 P损耗=4.5W欢迎下载精品学习资源DC-DC 变换器的效率 = PO /P O+P损耗 ） =94%2.7 系统

10、特色：1. 输出电压反馈采纳“同步采样”方式，有效地防止了电压尖峰对信号检测的影响；软件滤波可降低毛刺干扰，但不能从根本上减小干扰；“同步采样”法是依据开关毛刺的可猜测性集中在开关瞬时，连续时间不超过2 S），在开关管动作后 2S 再采样，防止采到毛刺，提高了反馈信号的精确度和稳固度；2. 采纳多种措施降低系统的电磁干扰EMI ），如：开关频率较低，降低了 EMI ；单片机内部的时钟源压控震荡器DCO ）采纳了抖频技术，使EMI 能量分散在各个频率点上，降低了EMI 的峰值；产生 PWM 信号时也使用了抖频技术，即实现了用较少位数的PWM 产生较多的掌握阶数，又削减了 EMI ；3. 具有多重

11、爱护措施，保证了系统的高牢靠性；3 软件设计 主要流程图如图 3-1 所示）开头预制开机电压30V打开通过键盘得到要输出电压值, 然后掌握输出一个稳固电压PWM上升沿触发中PWM断 , 在中断里打开转换, 并使能ADAD中断制控采样, 等待中断读取AD采样值馈 , 掌握输出量稳固, 构成反否是中断里读取AD采样值 , 并判定是否要屏蔽中断去处理数据是图 3-1主要流程图程序说明 : 本程序主要通过键盘设定输出电压值 , 利用 PI 算法掌握 PWM的占空比，实现电压稳固输出 . 并且为了削减干扰 , 软件采纳同步采样的方法 , 即在PWM上升沿后 2 微秒, 再去采样 , 这样就可以防止采样到

12、毛刺 , 进行错误的判定 , 导致输出电压不稳 , 再依据一些其它的反馈采样值进行调整, 保证系统可以安全牢靠稳固的工作；4 系统测试及结果分析4.1 测试使用的仪器 如表 4.1 所示）表 4.1测试使用的仪器设备欢迎下载精品学习资源序号123名称、型号、规格FLUKE 15B万用表TDGC-2 接触调压器KENWOOD CS-41250.5KV A ）示波器数量411备注美国福禄克公司上海松特电器有限公司带宽 20MHz4.2 测试方法 连接如图 4-1 所示）接触调压器U = 220V1AC隔离变压器整流滤波I INA电流表 1UINAI O电流表 2V电压表 1DC-DC变换器V电压表

13、 2UORL图 4-1测试连接图4.3 测试数据4.3.1 电压调整率 SU 测试测试条件： IO=2A，UO=36V）U2=15V时， UO1=35.98V； U2 =21V时， UO2=36.13V；电压调整率 SU=UO2-UO1） /UO1=0.42%；4.3.2 负载调整率 SI 测试 测试条件： U2=18V，UO=36V）I O=0A时， UO3=36.29V；I O=2A时， UO4=36.04V；负载调整率 SI =UO3-UO4）/UO3=0.69%；4.3.3 DC-DC 转换器效率 测试测试条件： IO=2A，UO=36V，U2=18V ）UIN =19.5V，I IN

14、=3.88A； UO=36.00V， I O=1.975A；DC-DC转换器效率 =UOI O/UIN I IN=93.97%；4.4 测试结果分析4.4.1 测试数据与设计指标的比较 如表 4.2 所示）表 4.2 测试数据与设计指标的比较测试工程基本要求发挥要求电路测试结果输出电压可调范畴最大输出电流电压调整率30V-36V2A 20.2%实现实现0.42%负载调整率输出噪声电压峰峰值 5 1VPP0.5%0.69%1.8 VPPDC-DC 变换器效率 70%85%93.97%过流爱护动作电流故障排除后自动复原动作电流 2.53A ，2.50.2A可以自动复原；输出电压设定和步进调整步进

15、1V ，测量和显示电压电流实 现 ， 步 进 可 达0.1V ；其他完整牢靠的爱护电路4.4.2 产生偏差的缘由1）对效率等进行理论分析和运算时，采纳的是器件参数的典型值，但实际器件的参数具有明显的离散性，电路性能很可能因此无法达到理论分析值；2）电路的制作工艺并非抱负的，会增加电路中的损耗；4.4.3 改进方法1） 使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，采纳低阻电容；欢迎下载精品学习资源7 / 10图 1开关稳压电源电路2） 使用软开关技术，进一步减小电力MOS管的开关损耗；3） 采纳同步式开关电源的方案，用电力MOS管代替肖特基二极管以减小损耗；4） 优化软件掌握算法，进一

16、步减小电压调整率和负载调整率；5 结论本电路结构简洁，功能齐全，性能优良，除个别指标外均达到并超过了题目要求；爱护电路完善，使用更安全；使用同步采样技术和多种抗EMI 技术使得本电路更加环保；由于时间紧急，任务较为繁重，本电路尚有不足之处，如输出纹波偏大等；这些都是以后我们努力和改进的方向；附录 1 电路原理图欢迎下载精品学习资源图 2单片机最小系统欢迎下载精品学习资源图 3爱护电路a）输入爱护电路b ）过热爱护电路图 4输出过流爱护电路图 5逐波过流爱护电路附录 2效率运算完整过程电路中的主要损耗已在正文中进行了运算，下面给出其他部分损耗的运算过程：1. Boost 电路中电容的损耗欢迎下载

17、精品学习资源输出电流有效值代入数据得 I O-RM=2.069 A而电容的损耗等效串联电阻 ESR取为 10 m，代入得 PCO1=0.0428 W2. 输出滤波电路的损耗：1） 电容的损耗运算方法与求 PCO1相同，可求得 PCO2=0.0428 W2） 电感的损耗其中， DCR2 为电感的直流电阻，取为 50 m，又 I O=2A，代入可得 PDCR2=0.20 W3. PWM驱动部分的损耗1） 驱动芯片 IR2302 的静态损耗为 12 mW可忽视）2） IR2302 驱动电路的动态损耗其中，导通掌握电压UGSON=12V，场效应管输入电容CQON=1.7 nF, f=20 kHz，代入

18、运算得 P驱动=2.45 mW可忽视）4. 由于设计实现时较多的考虑到降低功耗，掌握电路和检测爱护电路功耗都较小，总体估算为 0.5 W；4. 过流爱护采样电阻上的损耗欢迎下载精品学习资源其中， I O=2A，RTEST2=0.09 ，代入可得 P RTEST=25. 逐波过流爱护采样电阻上的损耗0.36 W欢迎下载精品学习资源其中，采样电阻 RTEST1=0.087 ，代入数据运算可得 PRTST1=0.536 W附录 3 输出滤波电路的设计与参数运算为了降低纹波，采纳 LC低通滤波器，取截止频率 f L=200 Hz，电容取 470 F，由可得代入得 L=215.80H，取 220H欢迎下载