电子设计竞赛论文开关稳压电源的设计 组员： 指导老师： 摘 要：本系统以Boost升压斩波电路为主电路，采用TL494作为开关稳压电源的核心控制芯片，并加入反接保护、输入过压欠压保护、输出过流保护、输出电压反馈、输出电压显示等辅助系统，实现输出电压3036V可调，最大输出电流2A的功能。关键词：Boost TL494 开关电源 msp430f149单片机目录1 绪论22 系统方案设计22.1 DC-DC主回路拓扑32.2控制方法及实现方案32.3系统总体框图32.4 提高效率的方法及实现方案43 电路设计与参数确定43.1 Boost升压子系统的设计43.2重要元器件参数的选择53.3 输入欠压过压保护53.4 TL494控制电路的设计64测试与分析74.1测试环境及仪器74.2测试结果74.3测试结果与要求比较分析85结论9参考文献9附录91 绪论开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），通过控制开关管的导通比来维持输出电压的稳定，体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的2030%）、效率高（一般为6070%，而线性电源只有3040%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。功耗低、纹波小、噪音低、易扩容等特点，使得开关电源具有高的稳定性和性价比，在仪器、仪表、工业自动化等领域得到广泛应用。2 系统方案设计2.1 DC-DC主回路拓扑方案一：隔离型的开关电源中高频变换器的基本形式有五种：单端正激式、单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式。其中单端正激式和单端反激式结构简单、易于实现，半桥式、全桥式和推挽式电路结构较复杂对驱动电路要求较高、输出功率较大。方案二：非隔离型DC-DC变换器没有开关变压器，采用Boost降压变换器可以实现将直流电压升高，简图如图2-1所示。图2-1 Boost升压斩波电路拓扑结构第二种方案的电路简洁易于实现，而且性价比也比第一种方案好，故选非隔离型Boost DC-DC变换器作为主电路。2.2控制方法及实现方案方案一：用PWM准用芯片产生PWM控制信号。此防范较易实现，而且工作稳定，不易实现输出电压键盘设定和步进调整。方案二：用单片机产生PWM控制信号。单片机根据取样电路的反馈对PWM信号做出调整以实现稳压输出。但这种方案很不稳定，实现难以。综合考虑我们选择方案一。2.3系统总体框图系统总体框图如图2-1所示。负载DC输出滤波DCBoost升压电路DC整流滤波ACAC隔离变压器反馈电路过压欠压保护TL494控制芯片保护电路电压采用430单片机图2-2 系统总体框图LCD显示 2.4 提高效率的方法及实现方案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（Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为20kHz。Boost升压电路中二极管的选取：开关电源对于二极管的开关速度要求较高，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。与快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用于低压场合。考虑到降低损耗和低压应用的实际，选择肖特基二极管。3 电路设计与参数确定3.1 Boost升压子系统的设计这里我们在常见的Boost升压结构的基础之上外加反接保护、过压欠压保护构成，达到使系统更加安全可靠地目的，输出滤波部分加多级电容使输出文波更小， 反接保护功能由二极管和保险丝实现，电路如图3-1 。图3-1 输入反接保护模块原理图Boost升压的DC-DC拓扑结构如图3-2所示。图3-2 Boost升压模块原理图3.2重要元器件参数的选择开关管的选择：选择导通电阻小的IRF540作为开关管，其导通电阻仅为77m（VGS=10V, ID=17A）。IRF540击穿电压VDSS为55V ，漏极电流最大值为28A（VGS =10 V， 25C），允许最大管耗PCM可达50W，完全满足电路要求。肖特基二极管的选择：选择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，并且恢复时间短。实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。电感参数的计算： （3-1）其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=25 kHz,输出电压为36V时，LB=527.48H，取530H。电感线径的计算：最大电流IL为2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由得d=0.892 mm,工作频率为25kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。电容的参数计算： （3-2）待添加的隐藏文字内容1其中，UO为负载电压变化量，取20 mV,f=25kHz,UO=36V时,CB=1465F,取为2000F，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。3.3 输入欠压过压保护输入的15V21V交流电经整流滤波后电压为18V27V，当输入18VINV,VV,2脚出高电平，1脚输出低电平，通过与非门后为低，电路正常工作；当输入VIN27V时，与非门输出高电平，继电器断开，是电路达到保护作用。如图3-3所示。图3-3 输入欠压过压模块原理图3.4 TL494控制电路的设计TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。这里我们选择单端工作方式，由于TL494内部集成多个运放，所以本系统将过流保护和电压反馈都集成在TL494里面，充分利用他的功能实现整个电路的过流恢复和输出电压稳定的功能。我们把1脚和2脚的运放用作电压反馈的输入端口，当输入电压增加时，1脚的采样电压增大，运放的正向输入端电压高于反向输入端，经过内部运放，或非门后使占空比减小，输出电压减小，从而使输出稳定。将15脚和16脚的运放用作过流保护的输入端口，输出电流增加时（大于2A），运放的正向输入电压高于反向输入电压，最终使占空比减小，减小了输出电压，从而电流减小，达到过流恢复的功能。连接图如3-4所示。图3-4 TL494模块原理图TL494还有一个比较独特的功能，他可以实现输出电压由低到高慢慢建立，实现软启动，上电时，C1充电需要一定时间，死区电压由高逐渐变低，Q1管的导通时间逐渐增大，输出电压逐渐升高。3.5 输出电压显示我们使用MSP430单片机内自带的12位ADC,将输出电压采样显示,充分利用片内资源,节约硬件的使用,使本系统更加完善。4测试与分析4.1测试环境及仪器在室温下进行测量，所用仪器如下：表4-1 测量工具编号名称型号1数字万用表DT95082数字存储示波器UTD20004.2测试结果电压调整率测试测试方法：在I=1A时，通过调整变压器改变U，测量U,表4-1所示。表4-1 测量结果U/V19.618.016.015.0U/V29.029.128.728.4由以上测试结果可以计算出，系统的电压调整率达到1.15%，满足题目要求。负载调整率测试测试方法：在U=19.2V时，改变负载大小，测量U的值，表4-2所示表4-2测量结果I/A0.110.300.410.500.650.730.850.931.27U/V30.330.330.130.029.629.629.329.228.9由以上测试结果可以计算出，系统的负载调整率达到1.82%，满足题目要求。效率测试测试方法: U=19.2V, U=30.0V时，测试输入电压电流，输出电压电流得到，表4-3所示。表4-3测量结果输入电压U/V输入电流 I/A输出电压U/V输出电流I/A效 率/%22.70.2730.50.1679.6222.20.3630.40.2179.8822.00.4730.20.2778.8621.40.5128.60.3489.1020.10.9628.50.4972.37去掉最高与最低测量值，计算得效率平均值为79.40%。输出噪声文波测试测试方法：将电源的输出端连接到60MHZ模拟示波器（AC耦合，扫描速度20ms/div），在U=18V、U=32V、I=1A时观察波形图像，并记录文波电压峰-峰值等于100mV，符合题目设计要求。4.3测试结果与要求比较分析测试数据与设计指标的比较,如表4-4所示。表4-4 结果比较测试项目基本要求发挥要求电路测试结果输出电压可调范围30V-36V实现最大输出电流2A未测试电压调整率20.2%实现（1.15%）负载调整率50.5%实现（1.82%）输出噪声电压峰峰值1VPP实现DC-DC变换器效率70%85%实现（79.40%）过流保护动作电流2.50.2A故障排除后自动恢复实现产生偏差的原因：对效率等进行理论分析和计算时，采用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。电路的制作工艺并非理想的，会增加电路中的损耗。改进方法:使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，采用低阻电；使用软开关技术，进一步减小电力MOS管的开关损耗；采用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；优化软件控制算法，进一步减小电压调整率和负载调整率。5结论开关电源在我们的生活中都有用到，而我们学的还是他的很浅的一部分，我们的基础知识有限，对它的参数，算法有很多不懂的地方。所以好多问题都要问学长，我们当然也得到了他们的帮助，可我们的基础知识还是要努力学习，虽然还从在好多问题，但我相信，在我们共同的努力下，我们一定会做得更好，希望得到老师，同学们的大力支持。我们是初学者，虽然现在时间紧，但我们还是在努力着。希望给老师一个满意的答复，可还是基础知识的欠缺，最终导致好多问题的出现。通过这次