開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計方案

1、開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計方案摘要： 文章構(gòu)建了基于Boost 型變換器的DC/DC 變換器，系統(tǒng)以專用芯片UC3842 作為控制核心，輔以Atmega128 單片機(jī)穩(wěn)定輸出電壓。利用UC3842 自身的電壓電流環(huán)反饋，加上輸出電壓均值環(huán)設(shè)計成輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)的DC/DC 變換電路。本系統(tǒng)還采用了模擬PWM 技術(shù)、在線保護(hù)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。實際測試表明該系統(tǒng)各項指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計要求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源裝置大量出現(xiàn)在生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，其電壓電流的穩(wěn)定性、電壓調(diào)整率、負(fù)荷調(diào)整率、變換器的效率等因素將直接影響到用電及通信設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時還將影響到設(shè)備的安全性。因此，如何改善上述各項

2、指標(biāo)，成為電源裝置設(shè)計時需要考慮的重要因素。本文介紹一種行之有效的開關(guān)穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)設(shè)計方案。1 方案論證1. 1 DC-DC 變換器方案選取隔離變壓器輸出工頻電壓有效值為18 3 V，經(jīng)橋式整流濾波后輸出直流電壓約為18 26 V。要求開關(guān)電源的輸出電壓范圍在30 36 V 之間穩(wěn)定可調(diào)，單端反激式和Boost 直接變換式都可以滿足要求。但是，考慮到單端反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)中的脈沖變壓器在短時間內(nèi)難以制作調(diào)整好，并且其制作工藝和選材對系統(tǒng)的效率影響很大，因此本設(shè)計制作選用Boost電路作為功率變換器主電路，如圖1 所示。1. 2 控制方案選取可用于Boost 變換器的控制方案較多，典型的有采用

3、單片機(jī)直接控制或者用模擬控制電路控制等。Boost 變換器是一個具有低阻尼的二階系統(tǒng)，采用單片機(jī)的電壓單環(huán)控制的結(jié)構(gòu)由于系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和數(shù)字算法的延遲，使得控制環(huán)的低頻增益不能太大，影響輸出電壓的控制精度； 用運(yùn)算放大器等構(gòu)成模擬控制電路，可以采用電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，有效地克服變換器的低阻尼特性并使輸出電壓的控制精度提高，但包括PWM 調(diào)制器、脈沖放大驅(qū)動電路等在內(nèi)的模擬控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高。鑒于單端反激式開關(guān)電源與Boost 變換器具有相同的工作原理，其專用集成控制芯片UC3842 可以移植到Boost 變換器的控制上來，所以本設(shè)計制作的控制部分采用集成控制芯片UC3842，以簡化

4、控制電路設(shè)計并提高系統(tǒng)的可靠性，UC3842 控制電路圖如圖2 所示。以UC3842 為基礎(chǔ)構(gòu)成的電壓電流雙環(huán)控制的Boost 變換器當(dāng)脈沖占空比大于0. 5 時，存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，要么降低控制環(huán)的低頻增益，要么采取斜坡補(bǔ)償?shù)霓k法，前者使輸出電壓的控制精度降低，后者實現(xiàn)上要求比較嚴(yán)格。鑒于系統(tǒng)已設(shè)置單片機(jī)以滿足監(jiān)測顯示功能的要求，可以利用單片機(jī)對Boost變換器控制系統(tǒng)進(jìn)行校正，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下可以使輸出電壓的控制精度大幅提高，而技術(shù)實現(xiàn)上切實可行，方案如圖3 所示。1. 3 提高效率的方法及實現(xiàn)方案影響系統(tǒng)效率的主要因素有： a. 功率變換器開關(guān)器件的開關(guān)損耗； b. 感性元件

5、的鐵損和銅損； c. 控制電路的損耗等。其中，開關(guān)器件的開關(guān)損耗是影響系統(tǒng)效率的最主要方面，因此，除主電路結(jié)構(gòu)盡量簡化外，選用開通、關(guān)斷比較迅速、通態(tài)電阻小的功率MOS 管作為主開關(guān)器件，Boost 二極管也選用超快恢復(fù)二極管。感性元件主要是Boost 電感，選取鐵損比較小的鐵氧體為磁芯，盡量選用截面比較粗的漆包線以降低損耗。控制電路的工作電源采取兩種方式來降低損耗： 主控制芯片UC3842 直接用主電路的整流濾波電路供電，單片機(jī)和少量外圍電路用自制的開關(guān)電源供電。2 電路設(shè)計與參數(shù)計算2. 1 主電路器件的選擇和參數(shù)計算2. 1. 1 電感量計算主電路的主要參數(shù)為： 整流濾波后的直流輸入電壓

6、18 26 V，輸出電壓在30 36 V 范圍內(nèi)可調(diào)，最大輸出電流2 A，開關(guān)頻率取10 kHz，Boost 電路工作在電流連續(xù)工作模式（ CCM） 。忽略電路的損耗，根據(jù)Boost 電路輸出電壓表達(dá)式，可得PWM 占空比：最大占空比Dmax發(fā)生在輸入直流電壓最低（ 18V） 而輸出直流電壓最高（ 36 V） 的時候，最小占空比Dmin發(fā)生在輸入直流電壓最高（ 26 V） 而輸出直流電壓最低（ 30 V） 的時候，根據(jù)式（ 1） 計算Dmax為0. 5、Dmin為0. 13。取電感器電流的變化量為半載時輸入電流的30 %，即：最壞的情況為占空比最小的時候，根據(jù)電流臨界連續(xù)條件求得電感值為：實際

7、取值500 H。2. 1. 2 主開關(guān)管選取主開關(guān)管承受的最大漏源電壓為最大輸出電壓36 V，考慮到過載條件，開關(guān)管最大實際漏源電流為：考慮到實際電壓電流尖峰和沖擊，電壓電流耐量分別取2. 5 和2 倍裕量，即應(yīng)選取耐壓高于90 V，最大電流12 A。實際選用IRF3710 型MOS 管，最大漏源電壓100 V，最大漏極電流57 A，通態(tài)電阻25 m，最高開關(guān)頻率超過1 MHz。2. 1. 3 快恢復(fù)二極管選取二極管選取依據(jù)是通態(tài)平均電流：式中， 為波形系數(shù)； IF（ AV） 是實際通態(tài)平均電流。考慮到實際系統(tǒng)控制時占空比的變動性，依據(jù)最大峰值電流（ 5. 75 A） 選取FR607。2. 1

8、. 4 輸出濾波電容選取設(shè)計輸出電壓的紋波小于200 mV，考慮到負(fù)載電流可能達(dá)到3 A，濾波電容Cf計算如下：實際選用1 000 F /50 V 的電解電容。2. 2 控制電路設(shè)計與分析Boost 變換器控制電路如圖（ 2） 所示，輸出電壓經(jīng)取樣電阻R1、R2反饋到UC3842 的電壓誤差放大器的反相輸入端，與其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Uref比較之后得到誤差電壓Ue，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器，送入UC3842 的電流比較器，與主開關(guān)源極上的取樣電阻Rs上取得的電流信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM 輸出。電壓調(diào)節(jié)器為PI 調(diào)節(jié)器（ 在該芯片1 腳和2 腳之間并積分電容和比例電阻） 。開關(guān)頻率由UC3842 第4 腳鋸齒波

9、發(fā)生器的定時電容、電阻確定其計算公式為：根據(jù)UNITROD 公司關(guān)于UC3842 的特性圖表，考慮到實際運(yùn)行時脈寬占空比可能大于0. 5，選取Rt =16 k，Ct = 9. 4 nF，對應(yīng)的開關(guān)頻率為11 kHz。2. 2. 2 電壓反饋取樣電阻最高輸出電壓為36 V，電壓調(diào)節(jié)器的參考電壓為2. 5 V，反饋網(wǎng)絡(luò)按無穩(wěn)態(tài)誤差原則設(shè)計，即：取R1 = 35 k，計算得R2 = 8. 5 k。2. 2. 3 電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計電壓誤差放大器為比例積分放大器，Kp = 10，Ki =1 /3000。2. 2. 4 電流取樣電阻Rs系統(tǒng)能正常工作的必要條件是送入UC3842 的電流取樣端（ 3 腳） 的

10、信號小于1 V，且能達(dá)到電壓調(diào)節(jié)器送到電流比較器輸入端信號的大小。設(shè)開關(guān)管的電流峰值時的信號大小為500 mV，則：實際系統(tǒng)用3 個0. 33 電阻并聯(lián)。2. 3 保護(hù)電路設(shè)計與計算由于主電路采用Boost 電路，單純的封鎖開關(guān)管的驅(qū)動信號并不能滿足在線過流保護(hù)的要求。為了實現(xiàn)系統(tǒng)自恢復(fù)，在Boost 輸出和負(fù)載之間增加Buck 電路。Buck 電路的開關(guān)管由單片機(jī)直接控制，采用電流霍爾作為電流傳感器，單片機(jī)通過AD（ MAX197） 實時取樣輸出電流信號。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，Buck 開關(guān)管直通； 一旦出現(xiàn)過流故障，單片機(jī)檢測到故障信號后，可以兩種方式實行保護(hù)，一種是限流輸出保護(hù)方式，另一種是

11、封鎖輸出保護(hù)方式。在限流輸出保護(hù)方式下，單片機(jī)發(fā)出PWM信號，控制Buck 開關(guān)管，降低輸出電壓，從而達(dá)到限制輸出電流的目的，同時在液晶上顯示故障。過流故障解除后，在輸出封鎖保護(hù)方式下，單片機(jī)發(fā)出Buck 開關(guān)管的封鎖信號，切斷輸出電流。之后單片機(jī)每隔0. 5 s 發(fā)出封鎖解除信號，若過流故障排除，單片機(jī)停止發(fā)出封鎖信號，系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。加入Buck 電路后系統(tǒng)成本有所增加，但Buck 電感和電容正好構(gòu)成了二級輸出濾波器，以進(jìn)一步降低紋波。由于正常運(yùn)行時，Buck 開關(guān)管處于直通狀態(tài)，對效率影響甚微。2. 4 人機(jī)接口設(shè)計本系統(tǒng)中的人機(jī)接口包括鍵盤和液晶顯示器?？紤]到要求輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)

12、定和步進(jìn)調(diào)整，需要大量按鍵（ 如0 9 數(shù)字鍵，+、 鍵，取消、確認(rèn)鍵等） ，PS2 鍵盤的小鍵盤區(qū)剛好滿足此要求，又PS2 鍵盤通過PS2 協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行串行通信，接口簡單，易于實現(xiàn)，因此采用PS2 鍵盤作為系統(tǒng)輸入設(shè)備。設(shè)計指標(biāo)又要求能顯示輸出電壓、電流的測量值等系統(tǒng)信息，為了更好地美化顯示界面，采用控制器為RA8803 的240 128 帶國標(biāo)字庫液晶顯示器。液晶顯示器通過并行數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。2. 5 輔助電源設(shè)計另外制作了小型的開關(guān)電源電路，用作系統(tǒng)控制部分的工作電源。此小型開關(guān)電源的直流輸入連接到主電路整流濾波輸出之后，主電路接上交流輸入電以后，開關(guān)電源開始工作，向控制電

13、路提供工作電源。輔助電源設(shè)計為+ 5 V/100 mA、 12 V/100 mA。2. 6 效率分析及計算2. 6. 1 控制電路功耗經(jīng)實際測試控制電路各個部分的功耗如表1 所示。表1 控制電路主要器件正常工作時功耗2. 6. 2 Boost 主開關(guān)管功耗主開關(guān)管功耗由兩部分構(gòu)成： 開關(guān)損耗和通態(tài)損耗。開關(guān)損耗估算為：式中，UDS為開關(guān)管阻斷電壓的峰值； IDS為開關(guān)管電流的峰值； tr為開關(guān)管上升時間； trd為開通延遲時間； tf為開關(guān)管下降時間； tfd為關(guān)斷延遲時間； fs為開關(guān)頻率。查閱IRF3710 手冊相關(guān)數(shù)據(jù)和以上相關(guān)計算數(shù)據(jù)求得Pds = 0. 08 W。可見降低開關(guān)頻率能明

14、顯降低開關(guān)損耗。通態(tài)損耗為：式中，ID為通態(tài)平均電流； Ron為通態(tài)電阻； D 為平均占空比。經(jīng)粗略計算得出Pdon = 0. 09 W。Boost 二極管的損耗由兩部分構(gòu)成： 反向恢復(fù)損耗和通態(tài)損耗。反向恢復(fù)損耗估算為：式中，UDR為二極管反向電壓峰值電壓的峰值； IDR為二極管反相恢復(fù)電流峰值； tr為反向恢復(fù)時間； fs為開關(guān)頻率； UFD為正向?qū)▔航担?IF為正向?qū)ㄆ骄娏?。計算出Pdd = 1. 14 W。2. 6. 3 系統(tǒng)總效率3 軟件流程圖開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)軟件流程如圖4。4 系統(tǒng)測試4. 1 測試儀器系統(tǒng)測試所需測試儀器如下：EE1410 合成函數(shù)信號發(fā)生器； TEK 10

15、02B 數(shù)字存儲示波器； TEK 2024 四通道隔離示波器； UT88B 4 12位數(shù)字萬用表； 直流穩(wěn)壓源； MS8215 3 12位數(shù)字萬用表。4. 2 測試方案及數(shù)據(jù)4. 2. 1 輸出電壓Uo可調(diào)測試輸出電壓可調(diào)測試方案： 負(fù)載采用20 電阻值，用UT88B 數(shù)字萬用表監(jiān)測負(fù)載電壓。通過鍵盤輸入設(shè)定電壓，具體數(shù)據(jù)記錄在表2 設(shè)定電壓欄。按確認(rèn)鍵后讀出數(shù)字萬用表顯示的電壓，具體數(shù)據(jù)記錄在表2 中實際電壓欄。表2 輸出電壓可調(diào)測試數(shù)據(jù)4. 2. 2 電壓調(diào)整率測試電壓調(diào)整率測試方案： 負(fù)載為可調(diào)阻性負(fù)載，用UT88B 萬用表分別監(jiān)測隔離變壓器輸出電壓（ U2） 和負(fù)載電壓（ Uo） 。調(diào)

16、自耦變壓器，使U2分別為15 V 和21 V，同時調(diào)滑動變阻器，使負(fù)載電流維持在2 A，分別記錄兩次負(fù)載電壓Uo1 = 36. 03 （ V） ，Uo2 = 36. 04 （ V）。根據(jù)題目所給出的相關(guān)公式可計算出電壓調(diào)整率：4. 2. 3 負(fù)載調(diào)整率測試負(fù)載調(diào)整率測試方案： 分別用UT88B 萬用表監(jiān)測隔離變壓器輸出電壓（ U2） 、負(fù)載電壓和負(fù)載電流，調(diào)滑動變阻器使輸出電流分別為0 A 和2 A，調(diào)隔離變壓器使U2維持在18 V，同時記錄對應(yīng)的負(fù)載電壓Uo1 = 36 03 ( V) ，Uo2 = 35 93 ( V)。根據(jù)相關(guān)公式可計算出電壓調(diào)整率：4. 2. 4 DC-DC 變換器效率

17、測試DC-DC 變換器效率測試方案： 調(diào)節(jié)自耦變壓器使隔離變壓器輸出電壓（ U2） 為18 V，調(diào)整變換器使輸出電壓（ Uo） 為36 V，調(diào)節(jié)負(fù)載使輸出電流為2 A，用UT88B 萬用表檢測并記錄此時DC-DC 變換器輸入輸出電壓，輸入輸出電流：計算出變換器效率：4. 2. 5 輸出紋波電壓測試輸出紋波電壓測試方案： 調(diào)節(jié)自耦變壓器、變換器輸出電壓、負(fù)載使U2為18 V，Uo為36 V，輸出電流為2A。使用TEK 1002B 數(shù)字存儲示波器在AC 耦合、時基25 ms /div 測量輸出電壓紋波Uopp，其示波器輸出紋波電壓圖如圖5 所示。圖5 輸出紋波電壓圖4. 2. 6 過流保護(hù)動作電流測試本系統(tǒng)可以有兩種過流保護(hù)模式，模式一： 限流保護(hù)； 模式二： 封鎖保護(hù)。兩種保護(hù)均可通過鍵盤設(shè)定保護(hù)電流的閾值，并自恢復(fù)。限流保護(hù)測試方案：UT88B 監(jiān)視負(fù)載電流，負(fù)載為滑動變阻器，分別設(shè)定保護(hù)電流為2 A、2. 5 A、3 A。調(diào)整滑動變阻器分別記錄最大輸出電流（ 即為保護(hù)電流） 。然后減小電到閾值以下，測試值能否降低到保護(hù)電流以下。封鎖保護(hù)測試方案： UT88B 監(jiān)視負(fù)載電流，負(fù)載為滑動變阻器，分別設(shè)定保護(hù)電流為2 A、2. 5 A、3 A。調(diào)整滑動變阻器，使負(fù)載電流慢慢接近設(shè)定電流值。記錄負(fù)載電流是否被封鎖到0，測試結(jié)果見表3。表3 過