高效率開關(guān)穩(wěn)壓電源

1、開關(guān)穩(wěn)壓電源摘要本系統(tǒng)以C8051F120為核心，電壓可預(yù)置，步進(jìn)電壓為1V，輸出電壓范圍為30V到36V，輸出電流為0-2A?？娠@示預(yù)置電壓，實(shí)測電壓，實(shí)測電流，實(shí)測效率。該系統(tǒng)主要由最小單片機(jī)系統(tǒng)，PWM信號(hào)控制芯片TL494，開關(guān)電源升壓主回路，A/D以及D/A組成。系統(tǒng)通過鍵盤預(yù)置電壓值送給TL494形成閉環(huán)反饋回路，采樣0.1歐姆電阻上的電壓間接推算出電流并顯示。本系統(tǒng)具有調(diào)整速度快，精度高，電壓調(diào)整率低，負(fù)載調(diào)整率低，效率高，無需另加輔助電源板，輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：C8051F020；TL494；開關(guān)電源；boost電路。一、方案論證與比較1.1 DC-DC主回路拓?fù)涞姆桨高x

2、擇 DC-DC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式雖然安全，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會(huì)造成效率的降低，而本題沒有要求輸入輸出隔離，所以選擇非隔離方式，具體有以下幾種方案：方案一：并聯(lián)開關(guān)電路形式。并聯(lián)開關(guān)電路原理與串聯(lián)開關(guān)電路類似，但此電路為升壓型電路，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感儲(chǔ)能，截止時(shí)電感能量輸出。只要電感繞制合理，能達(dá)到題目要求的30-36V，且輸出電壓Uo呈現(xiàn)連續(xù)平滑的特性。（見圖1）                

3、0;               圖1 并聯(lián)開關(guān)電路 圖2串并聯(lián)開關(guān)電路方案二：串并聯(lián)開關(guān)電路形式。實(shí)際上此電路是在串聯(lián)開關(guān)電路后接入一個(gè)并聯(lián)開關(guān)電路。用電感的儲(chǔ)能特性來實(shí)現(xiàn)升降壓，電路控制復(fù)雜。（見圖2）由于本題只需升壓，故選擇方案二。1.2 控制方法的方案選擇方案一：采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波,控制開關(guān)的導(dǎo)通與截止。根據(jù)A/D后的反饋電壓程控改變占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。負(fù)載電流在采樣電阻上的取樣經(jīng)A/D后輸入單片機(jī)，當(dāng)該電壓達(dá)到一定值時(shí)關(guān)閉開關(guān)管，

4、形成過流保護(hù)。該方案主要由軟件實(shí)現(xiàn)，控制算法比較復(fù)雜，速度慢，輸出電壓穩(wěn)定性不好，若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。方案二：采用恒頻脈寬調(diào)制控制器TL494，這個(gè)芯片可推挽或單端輸出，工作頻率為1-300KHz，輸出電壓可達(dá)40V,內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，輸出級(jí)的拉灌電流可達(dá)200mA，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。芯片內(nèi)部有兩個(gè)誤差比較器，一個(gè)電壓比較器和一個(gè)電流比較器。電流比較器可用于過流保護(hù)，電壓比較器可設(shè)置為閉環(huán)控制，調(diào)整速度快。鑒于上面分析，選用方案二。1.3系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3所以。圖3 系統(tǒng)整體框圖1.4提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案（1）選擇合適的開關(guān)工作頻率 為降低開關(guān)損

5、耗，工作頻率不宜過高，為避免產(chǎn)生噪聲，工作頻率不應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后把開關(guān)頻率選定在40kHz。（2）Boost斬波電路中開關(guān)管的選取 電力晶體管耐壓高、工作頻率低、開關(guān)損耗大；電力場效應(yīng)管耐壓低、開關(guān)損耗小、工作頻率高。后者符合電路要求。（3）Boost斬波電路中二極管的選取 本電路工作頻率高、電壓低，對(duì)二極管的開關(guān)速度要求高。對(duì)反向耐壓要求高。與快速恢復(fù)二極管相比，肖特基二極管正向壓降更小、恢復(fù)時(shí)間更短；反向耐壓也已經(jīng)滿足要求。故選擇肖特基二極管。（4）Boost斬波電路中電感的選取 由于電感工作在I類狀態(tài)，電流有很大的直流分量，為了防止電感飽和，磁芯需加氣隙。由于系統(tǒng)總功率大于120W

6、，需要大容量的磁芯和較大截面積的導(dǎo)線。故使用EE42型磁芯和漆包線繞制。（5）控制及保護(hù)電路MCU選用低功耗單片機(jī)c8051f120；顯示用低功耗LCD；控制及保護(hù)電路的供電采取了降低功耗的措施。二、理論分析與參數(shù)計(jì)算2.1主Boost電路器件的選擇與參數(shù)計(jì)算Boost升壓電路包括MOS管驅(qū)動(dòng)電路和Boost升壓基本電路，如圖4所示。圖4 Boost升壓電路當(dāng)DC-DC=15V，=36V，=2.5A時(shí)，=90W。效率取75%，故=/=120W，=/U2min=8A。1）開關(guān)場效應(yīng)管以及肖特基二極管的選擇當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電流流過MOS管,肖特基二極管承受方向電壓；當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，電流流過肖特

7、基二極管，MOS管承受正向電壓。比最大值各留一倍的余量，故MOS管（肖特基二極管）的IDmax（IO）16A,U(BR)DSSU(RRM)72V。IRF540的IDmax=28A,U(BR)DSS=100V；5822的IO=80A，URRM=40V，均滿足電路要求。（3）電感的參數(shù)計(jì)算電感值的計(jì)算：式中，m是脈動(dòng)電流與平均電流之比，取0.25,；開關(guān)頻率=40kHZ；輸出電壓UO=36V時(shí)，Ln=263.5H，取265H。電感線徑的計(jì)算：流過電感的最大電流IL=8A，取電流密度=4A/mm2，線徑為，則由可得=1.60mm。由于工作頻率為40kHZ，需考慮趨膚效應(yīng)，制作中用多股細(xì)線并繞，使導(dǎo)線

8、的有效面積等于2mm。4）電容參數(shù)的計(jì)算：式中，為負(fù)載電壓變化量，取20mv。=40kHZ，UO=36V時(shí)，CB=800F。取CB=1000F，用多只低串聯(lián)等效電阻（ESR）的電解電容并聯(lián)，進(jìn)一步減小ESR，以減小輸出電壓的紋波。再并聯(lián)CBB電容以增加高頻響應(yīng)，減少毛刺。2.2控制電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算控制電路選用TL494來產(chǎn)生PWM波形，控制開關(guān)管的導(dǎo)通，Rt,Ct選擇為102和24K，頻率為 ，為40KHz。軟啟動(dòng)電路由14腳和4腳接電阻和電容來實(shí)現(xiàn)，通過充放電來實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)時(shí)間為 = （ =10uF，R=1K）。13號(hào)腳接地，采用單管輸出，進(jìn)一步降芯片內(nèi)部功耗。2.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)計(jì)

9、采樣電阻的大小選擇：采樣電阻主要起兩個(gè)作用，過流保護(hù)和測試負(fù)載電流。采樣電阻接在整流輸入地和負(fù)載地之間，越小越好，這樣會(huì)使兩個(gè)地之間的電壓很小。但是如果太小由于干擾問題會(huì)造成過流保護(hù)的誤判，并且對(duì)于后級(jí)運(yùn)放的要求比較高，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，選擇0.1歐姆的電阻效果比較好。TL494片內(nèi)有電流誤差放大器?？捎糜谶^流保護(hù)?？点~電阻上的壓降，與預(yù)先調(diào)好的值進(jìn)行比較.若電流過大，輸出高電平，阻止PWM信號(hào)產(chǎn)生，開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，使輸出電壓降低，形成保護(hù)功能。一旦輸出電壓降低，導(dǎo)致輸出電流降低，檢測電壓降低，電流誤差放大器就會(huì)輸出低電平，重新產(chǎn)生PWM波形，所以該電路具有自恢復(fù)功能。2.4效率的分析及計(jì)算測試條

10、件為：(U2=18V，輸出電壓U=36V，輸出電流I=2A)DC-DC電路輸入電壓=1.2U2-2V=19.6V,信號(hào)占空比D1-/UO=0.456，輸入電流有效值=IO/(1-D)=3.676A，輸出功率 PO=UOIO=72W。下面計(jì)算電路中的損耗。(1)Boost電路中電感的損耗 =²RL式中，RL為電感的直流電阻，取為50m，帶入可得=0.68W。(2)Boost電路中開關(guān)管的損耗開關(guān)損耗 PSW=0.5 (tr+tf)f式中，tr=190ms,tf=110ns,f=20kHz,代入可得PSW=0.216W。導(dǎo)通損耗 PC=D(²(*1.3+)式中，=77m，電流感

11、應(yīng)電阻取0.1，代入得PC =1.23W(3)肖特基二極管的損耗當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)流過二極管的電流等于電感電流，約為IO=3.68A;為進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗把一個(gè)封裝內(nèi)的雙管并聯(lián)，故二極管壓降約為流過1.8A電流時(shí)對(duì)應(yīng)的管壓降，查伏安曲線得UD=0.42V。所以，二極管的損耗PD=IOUDD=0.7W。(4)其他損耗采樣電阻上的總損耗為1W，其他部分的損耗約為1W。綜上，電路總損耗=4.8W，故DC-DC變換器的效率=PO/(PO+)=93%。2.5數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計(jì)由于在輸出端采樣時(shí)測得的反饋電壓為輸出電壓的二十四分之一，即分壓為1.5V時(shí)輸出為36V,分壓為1.25V時(shí)輸出為30V，設(shè)計(jì)中

12、采用了12位D/A轉(zhuǎn)換精度為0.61mV（參考電壓為2.40V），直接輸出給TL494提供參考電壓。此外還設(shè)置了兩個(gè)A/D芯片，分別采集輸出電壓，輸出電流。設(shè)計(jì)中采用了LCD 12864，可顯示采樣得到的各個(gè)采樣量。2.6硬件核心電路如下圖主回路原理圖 三、軟件設(shè)計(jì)主要流程如圖6所示。預(yù)置步進(jìn)N初始化LCD顯示等待按鍵2路A/D電壓讀取D/A電壓輸出Y預(yù)置/步進(jìn)值顯示輸出電壓顯示過流保護(hù)開始鍵盤檢測預(yù)置or步進(jìn)圖6 軟件流程圖四、系統(tǒng)測試及結(jié)果分析4.1測試儀器GDS-2062 （60MHz）示波器；VICTOR VC9807A+4位半數(shù)字萬用表；自耦調(diào)壓器（0250V）4.2指標(biāo)測試4.2.

13、1輸出電壓范圍測試結(jié)果如表1：表1 輸出電壓范圍測試預(yù)置電壓（V)30313233343536輸出電壓（V)30.0131.0232.0233.0234.0235.0336.034.2.2電壓調(diào)整率測試結(jié)果如表2： 表2 電壓調(diào)整率測試測試條件為輸出電壓36.08V，輸出電流為2.00AU2 /V輸出電壓(V)U2(V)輸出電壓(V)U3/V輸出電壓(V)14.9635.4816.0135.4817.0435.5418.0535.5419.0435.5420.0135.5421.0135.54  電壓調(diào)整率為：(35.54-35.48)/35.48*100%=0.169%。

14、以上數(shù)據(jù)輸出電壓與輸入電壓都是用4位半表測得。4.2.3負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果如表3：表3 負(fù)載調(diào)整率測試輸出電流（A）2.071.530.00輸出電壓（V)35.4335.4936.08負(fù)載調(diào)整率： （36.08-35.43）/36.08*100%=1.80%。4.2.4 噪聲及紋波測試：（U2=18V，Uo=36V，Io=2A，示波器AC耦合，掃描速度20ms/div） Vopp<= 4V4.2.5 效率測試：（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）Iin= 4.62A，Uin=17.97V，Uo=35.43V ，Io=2.07A，計(jì)算得效率為：88.1%。4.3 系統(tǒng)對(duì)題目的完成情況

15、表4 系統(tǒng)對(duì)題目的完成情況對(duì)照表  基本部分 要求實(shí)現(xiàn)輸出電壓范圍30V36V輸出電壓范圍為28V36V最大輸出電流2A符合要求電壓調(diào)整率Su<2%電壓調(diào)整率為0.169%負(fù)載調(diào)整率負(fù)載調(diào)整率1.8%輸出噪聲紋波電壓峰峰值Vopp<= 4V變換器的效率88.1%過流保護(hù)的動(dòng)作電流3.51A發(fā)揮部分電壓調(diào)整率0.2%電壓調(diào)整率為0.169%負(fù)載調(diào)整率0.5%負(fù)載調(diào)整率1.8%變換器的效率88.1%過流后能否自動(dòng)恢復(fù)能鍵盤設(shè)置步進(jìn)1V達(dá)到指標(biāo)五、結(jié)論經(jīng)過一周的辛勤努力，我們實(shí)現(xiàn)了題目的全部要求，在某些方面系統(tǒng)性能還超過了題目的要求，但由于時(shí)間緊，工作量大，

16、系統(tǒng)還存在許多可以改進(jìn)的地方，比如電路布局、和抗干擾方面還有很大的提升空間，經(jīng)過改進(jìn)，相信性能還會(huì)有進(jìn)一步的提升。本課題極大的鍛煉了我們各方面的能力，雖然我們遇到了很多困難和障礙，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭取更大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn):1 張培仁 孫力.基于C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用，2007,112 張興.電力電子技術(shù).北京:科學(xué)出版社，2010，73 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）.北京：高等教育出版社，20064 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì).全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編（2007）M.北京：北京理工大學(xué)出版社,2008附錄附件一：單片機(jī)的方案選擇方

17、案一：采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。51單片機(jī)外接A/D和D/A比較簡單，操作方便，但是由于本題的功耗要求特別嚴(yán)格，對(duì)效率的提高不利。方案二：采用低功耗單片機(jī)C8051F020，這是一個(gè)完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片。內(nèi)部集成12的A/D和D/A芯片，且這個(gè)單片機(jī)管腳豐富，操作完全與51單片機(jī)兼容。采用JTAG方式，可通過USB口在線下載調(diào)試，使用十分方便，并且低功耗便于整體效率的提高。 考慮到效率的要求采用方案二。附件二：主要元器件清單C8050F120;IRF540;電容 2200uF/50V X2 1000uF/50V 100uF/25V 2K/2W 10歐/1WTL49416V

18、穩(wěn)壓管1N5822磁芯漆包線其他電阻電容若干附錄三：TL494工作原理圖7是TL494的內(nèi)部原理圖，主要包括兩個(gè)放大器，一個(gè)振蕩器，一個(gè)T觸發(fā)器，及基準(zhǔn)源等。它是PWM信號(hào)的專用集成控制芯片。圖7 TL494內(nèi)部原理圖附件四：核心原理圖圖8 核心原理圖圖9 過流恢復(fù)原理圖圖10 12V 穩(wěn)壓電源電路附件五：重要源程序#include<c8051f120.h>#include"Type.h"#include"ADC0.h"#include"DAC0.h"#include"LCD12864.h"#inclu

19、de"Keyscan.h"sbit relay=P12;void WDT_Init()/清看門狗 EA=0;/禁止所有中斷 WDTCN = 0xDE;/禁止軟件看門狗定時(shí)器 WDTCN = 0xAD;EA=1;/重新允許中斷void SYSCLK_Init()/使用外部晶體振蕩器10MHz30MHzint i; / 延時(shí)計(jì)數(shù)器char data SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE;/保存當(dāng)前SFR頁SFRPAGE=CONFIG_PAGE;/設(shè)置SFR頁為F頁OSCXCN = 0x67; / 開啟外部振蕩器22.1148MHz晶體;晶體震蕩方式10MHz<f<

20、;30MHzfor (i=0; i < 256; i+) ; / 等待振蕩器啟振while (!(OSCXCN & 0x80) ; / 等待晶體振蕩器穩(wěn)定CLKSEL=0x01;/選用外部振蕩源作為SYSCLKOSCICN=0x00;/禁止內(nèi)部振蕩器, OSCICN：內(nèi)部振蕩器控制寄存器SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE;/恢復(fù)SFR頁void PORT_Init()/char data SFRPAGE_SAVE;SFRPAGE=CONFIG_PAGE;/將主函數(shù)設(shè)置在F頁，這樣之后使用IO口可以不再寫F頁SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE;/保存當(dāng)前SFR頁SFRP

21、AGE=CONFIG_PAGE;/設(shè)置SFR頁為F頁XBR2=0x40;/交叉開關(guān)使能，全局弱上拉SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE;/恢復(fù)SFR頁void main() char num=0; /記錄按鍵按下次數(shù) char key=-1;/存放按鍵值 char key_value=0;/存放兩次按下按鍵的調(diào)整值 char SFRPAGE_SAVE; uint DAC_value; /*初始化*/ WDT_Init(); SYSCLK_Init(); PORT_Init(); L12864_PORT_Init(); ADC0_System_Init(); DAC0_Init(); Lcd

22、_Init();/12864初始化 Keyscan_PORT_Init(); /* 開機(jī)預(yù)置電壓30V */ Lcd_DisplayString(0,0,"輸出電壓 V"); Lcd_DisplayString(1,0,"預(yù)置電壓:30V"); SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Save Current SFR page SFRPAGE=DAC0_PAGE; DAC0L=(30*113-17)%256; DAC0H=(30*113-17)/256; SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE ; while(1) while(key=-1

23、)/等待按鍵按下讀取按鍵值key=Keyscan();/*ADC0讀取電壓顯示*/Lcd_WriteCmd(0x80+4);Lcd_WriteData(':');Lcd_WriteData(0x30+(measurement0*15)/10000);Lcd_WriteData(0x30+(measurement0*15)%10000/1000);Lcd_WriteData('.');Lcd_WriteData(0x30+(measurement0*15)%1000/100);Lcd_WriteData(0x30+(measurement0*15)%100/10)

24、;Lcd_WriteData(0x30+(measurement0*15)%10); if(measurement1>2000)/若ADC0采樣電壓值大于2000mv繼電器斷開relay=0;elserelay=1; if(num=0|key=10|key=11)/說明有按鍵被按下，清除顯示的兩位調(diào)整值Lcd_DisplayString(1,4,": "); /清除顯示的兩位調(diào)整值Lcd_DisplayString(2,0," ");/清除第三行if(num=0&&key!=10&&key!=11) /key=10;

25、為加號(hào)鍵被按下，key=11;為減號(hào)鍵被按下key_value=key*10;Lcd_WriteCmd(0x90+4+num);/顯示預(yù)置值第一位Lcd_WriteData(':');Lcd_WriteData(0x30+key);if(num=1&&key!=10&&key!=11)key_value=key_value+key;Lcd_WriteCmd(0x90+4+num);/顯示預(yù)置值第二位Lcd_WriteData(0x30+key);if(key!=10&&key!=11)num+; /不是加減鍵被按下時(shí)num才加1i

26、f(num=2) /第二次按下鍵值，數(shù)據(jù)調(diào)整結(jié)束num=0;if(key_value<30|key_value>36)Lcd_DisplayString(2,0,"超出調(diào)整值范圍");else /在3036范圍就調(diào)整DAC0輸出 SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Save Current SFR page SFRPAGE=DAC0_PAGE; DAC0L=(key_value*113-17)%256; DAC0H=(key_value*113-17)/256; SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE ;key_value=0;if(key=10) /加號(hào)鍵被按下SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Save Current SFR pageSFRPAGE=DAC0_PAGE;DAC_value=(DAC0H*256 +DAC0L)&(0xf000);/高四位附0DAC_value+=96;/顯示電壓值加減1，DAC0的值加減96if(DAC_value+17)/113>36)SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE ;Lcd_Wr