DC-DC升壓型可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

DC-DC升壓型可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-4"\h84251引言 摘要：為了滿足不同電子設(shè)備所需的不同驅(qū)動(dòng)電壓，設(shè)計(jì)一個(gè)可以提供不同電壓輸出的穩(wěn)壓電源具有十分重要的意義。本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)可以輸出12V-40V的升壓型可調(diào)穩(wěn)壓電源，以PWM調(diào)制芯片UC3843AN作為升壓電路的控制核心，電源可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)直流電壓值到另一個(gè)直流電壓值的轉(zhuǎn)換，并且通過調(diào)節(jié)電位器就能達(dá)到所需的供電電壓值。此次設(shè)計(jì)額定功率為30W，轉(zhuǎn)換效率高于90%，通路十分簡單，可靠性強(qiáng)，可以用于給電動(dòng)汽車、電風(fēng)扇等設(shè)備供電，具有很高的實(shí)用價(jià)值。輸出電壓用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，顯示簡單直觀，讀數(shù)方便。關(guān)鍵詞:DC-DC；可調(diào)穩(wěn)壓電源；UC3843AN1引言DC/DC在國內(nèi)的研究狀況：早在1965年，我國就開始著手研究DC-DC變換器。到了八十年代，我國在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始研究開關(guān)電源，并在1970年成功研發(fā)出了無工頻的降壓開關(guān)穩(wěn)壓電源。后來電源技術(shù)不斷發(fā)展，研制出了自己的以PWM為工作方式的開關(guān)電源，并在2000年開始，研究出了更加高功率的開關(guān)電源。如今開關(guān)電源技術(shù)正朝著高頻、高效、低耗的方向發(fā)展。DC/DC在國外的研究狀況：自1947年肖克利發(fā)明晶體管以來，人們一直在研究如何將晶體管用于高頻轉(zhuǎn)換。1955年，羅耶發(fā)明了自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器。到了1969年，美國成功研制了開關(guān)電源，并在1976年研制出了脈寬調(diào)制控制芯片，不僅大幅度減小了開關(guān)電源的體積，而且大大提高了其可靠性。隨后，DC直流換器的發(fā)展不斷朝著高頻化、集成化、智能化、綠色化的方向發(fā)展REF_Ref13461\r\h[1]。目前DC/DC轉(zhuǎn)換器的研究還存在著開關(guān)管導(dǎo)通損耗大的問題，但是相比以前而言，現(xiàn)在的研究已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)非常高的水平。本文以脈沖寬度調(diào)制芯片UC3843AN為核心，研究一種可以提供不同電壓的開關(guān)電源，并能夠顯示輸出電壓。對各個(gè)模塊進(jìn)行分析說明，在繪制出原理圖和PCB的基礎(chǔ)上，完成了電路板的制作以及電路的焊接和調(diào)試分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電路的可行性。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由電源輸入部分、升壓部分、核心控制芯片UC3843AN、功率開關(guān)部分、輸出部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和單片機(jī)控制部分組成，如圖1所示。輸入12V直流電，利用控制芯片UC3843AN和功率開關(guān)管來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，經(jīng)過升壓模塊實(shí)現(xiàn)電壓的升高，再通過A/D轉(zhuǎn)換，送給單片機(jī)進(jìn)行處理，最后把輸出電壓值用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示出來。圖SEQ圖\*ARABIC1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2原理概述該設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入電壓較低的直流電壓向另一個(gè)直流電壓的轉(zhuǎn)換，要求輸出電壓值升壓可調(diào)，電壓穩(wěn)定，電壓值可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)通過一個(gè)數(shù)字電壓表來控制顯示。升壓部分由主流控制芯片UC3843AN構(gòu)成PWM調(diào)制電路，高頻化將輸入電壓轉(zhuǎn)換為脈沖信號，反饋到芯片中來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而調(diào)節(jié)電路的占空比得到穩(wěn)定的輸出電壓。利用電容電感的儲(chǔ)能放能來實(shí)現(xiàn)升壓的功能，通過可變電阻器部分電阻分擔(dān)壓降，改變電位器的阻值就可以調(diào)節(jié)輸出電壓值。顯示部分通過單片機(jī)控制，把軟件程序編寫好燒錄進(jìn)單片機(jī)，利用STC89C51作為電路的控制中樞,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中控制數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示出電壓值。該設(shè)計(jì)可處理和滿足各種電壓要求，在轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)用12V蓄電池供電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)直流輸出的電壓范圍是：12V-40V。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1PWM調(diào)制電路3.1.1UC3843控制電路該升壓型可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)制電路REF_Ref14595\r\h[2]REF_Ref14980\r\h[3]。這種調(diào)制電路由主要的核心控制芯片UC3843AN及其外部的一些電容和電阻組成，如圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2ＰＷＭ調(diào)制電路其中，R3和C2連接在芯片的引腳1和引腳2之間，構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)。這是一個(gè)反饋調(diào)節(jié)器，將反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（2.5V）進(jìn)行比較，如果反饋值大于內(nèi)部基準(zhǔn)值，則增加脈沖寬度，反之則減小脈沖寬度。用它來進(jìn)行頻率補(bǔ)償，可以調(diào)節(jié)電路的占空比，控制電壓和電流的穩(wěn)定輸出。R8和C6起到濾波的作用。R5和C7接于芯片第4腳，用于設(shè)置芯片內(nèi)部振蕩器的頻率和基準(zhǔn)電壓輸出，R5和C7的取值決定了開關(guān)的頻率。R1接在輸入電壓和芯片第7腳之間，用于分壓，當(dāng)輸入電壓較大時(shí)降低輸入電壓以滿足芯片供電電壓（2.7V-5.5V），保證芯片正常工作。另外，R4、R7、R9和C3組成可調(diào)電路部分，通過調(diào)節(jié)R4的阻值就能改變輸出電壓的大小，實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)REF_Ref14595\r\h[3]。3.1.2電容C7的選擇電容C7接在芯片的第四腳，對于控制內(nèi)部振蕩器的頻率十分關(guān)鍵，決定著設(shè)計(jì)的成敗。在設(shè)計(jì)電容C7之前，首先要確定占空比D: （1）一般需要留有一定的裕度，本設(shè)計(jì)占空比D取值0.8。根據(jù)芯片手冊可得占空比和R5，C7的關(guān)系式： （2）其中，Id標(biāo)準(zhǔn)取值為8.3mA，由式（1）和式（2）可計(jì)算出R5為8?,這里取10?。開關(guān)頻率設(shè)定為100?。 （3） 由式（3）可得C7為2.15nF，這里取值2.2nF，即222pF。3.2Boost升壓電路3.2.1主控制電路升壓部分電路由電感L1、功率開關(guān)管Q1、二極管D1、電容C4、電阻R6和R10共同組成，如圖3所示。電感L1的功能是在電流開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量。當(dāng)電路接通時(shí)，電流流經(jīng)電感L1，使電感電流線性增加，電感線圈L1以磁能的形式儲(chǔ)存電能。此時(shí)二極管D1反向截止，因?yàn)镈1左端為正電壓，右端為負(fù)電壓，電容電壓上面為正，下面為負(fù)，且D1的導(dǎo)通電阻近乎為零。此時(shí)，電容器C4向輸出端釋放能量，提供穩(wěn)定的輸出。當(dāng)功率開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，電感器L1兩端電壓的極性會(huì)因磁場的變化而改變，這個(gè)時(shí)候，二極管D1導(dǎo)通，外界輸入電壓與電感中的磁能相加，向電容提供充電電壓并供給負(fù)載，此時(shí)輸出電壓大于輸入電壓，實(shí)現(xiàn)升壓回路，起到升壓作用[4REF_Ref31532\r\h-7]。圖SEQ圖\*ARABIC3升壓電路設(shè)計(jì)3.2.2開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路如圖3，功率開關(guān)管Q1采用的是N溝道的增強(qiáng)型功率管IRF540，它的特點(diǎn)是有較低的導(dǎo)通電阻，它可以處理最大23A電流，100V電壓的負(fù)載，適合用在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中。它由柵極，源極和漏極組成，基于柵極的輸入電壓來控制漏極-源極之間的通道電阻，只需在柵極輸入電壓就可以導(dǎo)通，去掉電壓則關(guān)斷。因此，可以通過控制柵極的輸入電壓來控制場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制升壓功能。3.2.3電感L1的選擇電感L1的容量決定著能夠升壓的范圍，根據(jù)式（4）計(jì)算臨界電感值REF_Ref19557\r\h[8]REF_Ref19567\r\h[9]。 （4）其中，占空比D由式（1）可知；λ為電感電流波紋系數(shù)，一般取值為0.4；Io取最大輸出電流，Vo取最大輸出電壓，Ts為1/f，計(jì)算得L1=6.2uH,這里取10uH，線圈電感采用三線并繞線圈，繞了7圈，即7匝。3.3顯示部分電路設(shè)計(jì)3.3.1單片機(jī)及其外圍電路本設(shè)計(jì)采用80C51單片機(jī)，外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路以及排阻，如圖4所示。電容C2,C3以及時(shí)鐘晶振Y1接在XTAL1和XTAL2之間，組成時(shí)鐘電路，用來控制電路的振蕩周期。由按鍵K1與電容C1共同組成復(fù)位電路，接在片機(jī)的RST腳。當(dāng)給電路供電時(shí)，相當(dāng)于給RST腳提供了一個(gè)高電平，C1和R1決定了高電平的可繼續(xù)時(shí)間，用于確保復(fù)位操作的可靠性。單片機(jī)P0端口接了一個(gè)上拉排阻，可以用于提高輸出電平，當(dāng)總線的驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)可以用來補(bǔ)償電流，確保單片機(jī)的正常工作REF_Ref20912\r\h[10]。圖SEQ圖\*ARABIC4單片機(jī)及外圍電路3.3.2A/D轉(zhuǎn)換ADC0809是一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，采用這個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換功能，如圖5所示。芯片首先利用鎖存器和譯碼器來選擇模擬通道，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬通道的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值會(huì)被放置在鎖存器和三態(tài)門中，再并行輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)值量程的調(diào)整，最后通過4位LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，從而能夠?qū)崟r(shí)顯示測量到的電壓數(shù)值REF_Ref21056\r\h[11]。如圖5，在ADC0809芯片的第26腳外接一個(gè)滑動(dòng)變阻器VR1，可以用來微調(diào)輸出，使電壓測量值更加接近實(shí)際電壓值，電容C4則用于濾波。圖SEQ圖\*ARABIC5ADC0809電路圖3.3.3LED顯示電路顯示部分用4位LED數(shù)碼管來顯示電壓REF_Ref21376\r\h[12]，接入4個(gè)三極管用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字。使用8段LED來控制顯示屏，簡單、方便且成本低廉，如圖6所示。圖SEQ圖\*ARABIC6數(shù)碼管顯示4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)思路采用共陽數(shù)碼管顯示電壓，當(dāng)提供一個(gè)低電平時(shí)，即可點(diǎn)亮一個(gè)段碼，以此來編寫數(shù)碼管顯示程序。輸入模擬信號采用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號提供給單片機(jī)做相應(yīng)的處理。系統(tǒng)軟件程序編寫部分采用KeilC51編寫，首先建立項(xiàng)目工程及文件，然后在文件中編寫程序代碼，再編譯并檢錯(cuò)，編譯成功后形成目標(biāo)文件運(yùn)行，不斷調(diào)試實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的效果REF_Ref21611\r\h[13]。4.2軟件設(shè)計(jì)流圖軟件設(shè)計(jì)部分先設(shè)計(jì)一個(gè)流程圖，如圖7所示，再根據(jù)流圖編寫相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)程序，轉(zhuǎn)換具體程序見附錄。圖SEQ圖\*ARABIC7軟件設(shè)計(jì)流程圖主要程序如下：A/D轉(zhuǎn)換主程序（將0-255級換算成電壓數(shù)值0-50V）：voidconvdata(unsignedchardat1){ unsignedintVo; Vo=dat1*0.196*10; //50/255=0.196dis[0]=Vo/100;//十位dis[1]=Vo%100/10;//個(gè)位 dis[2]=Vo%100%10;}//小數(shù)點(diǎn)后第1位LED動(dòng)態(tài)掃描顯示程序（P0為段碼，P2為位碼）：voiddisplay(void){P0=0xff; P2=0xfe;//11011111delay(1);P2=0xff;P0=~tab[dis[0]];P2=0xfb;//10111111delay(1);P2=0xff;P0=~tab[dis[1]];P2=0xef;//01111111 DIAN=0;delay(1);P2=0xff; P0=~tab[dis[2]];P2=0xbf;delay(1);P2=0xff;}5實(shí)物調(diào)試與數(shù)據(jù)分析用一個(gè)12V的蓄電池進(jìn)行供電，接入升壓電路模塊的輸入端，經(jīng)升壓后的電壓值用一個(gè)簡單的數(shù)字電壓表模塊進(jìn)行顯示，數(shù)字電壓表模塊由電腦USB接口供電，連接好電路，整體設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖9所示。圖SEQ圖\*ARABIC9實(shí)物圖設(shè)計(jì)完成后，對電位表進(jìn)行多次調(diào)整，用萬用表對設(shè)計(jì)出來的實(shí)物能夠?qū)崿F(xiàn)的電壓范圍進(jìn)行了測定，能滿足12V-40V范圍內(nèi)的升壓。接入一個(gè)36W的燈泡作為負(fù)載，用萬用表的直流電流檔測出輸入輸出電流，由P=I*U算出輸入輸出功率，調(diào)節(jié)輸出電壓并記錄數(shù)據(jù)，整理后如表1所示。表SEQ表\*ARABIC1數(shù)據(jù)測量表輸入電壓（V)輸入電流（A)輸入功率（W)輸出電壓（V)輸出電流（A)輸出功率（W)11.601.0111.7212.000.566.7211.601.0111.7215.000.659.7511.801.0212.0416.200.6410.3711.901.0212.1421.000.5611.7611.801.0111.9223.000.6815.6411.901.0112.0231.100.6720.8411.901.0212.1435.100.6823.8711.901.0212.1440.000.6927.60由得，額定功率下的轉(zhuǎn)換效率η=92%。電路數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差，因?yàn)殡娮?、電容、電感、MOS管、二極管等會(huì)發(fā)熱產(chǎn)生耗能，導(dǎo)致實(shí)際值與理論值之間存在一定偏差，屬于正常現(xiàn)象。6總結(jié)對于整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，在最開始的時(shí)候，我進(jìn)行了電路圖的設(shè)計(jì)和一些元器件參數(shù)的選擇。電路元器件的選擇扮演著至關(guān)重要的角色，精密元器件的選擇決定著最終的成敗，所以這是非常關(guān)鍵的一步。然后我畫了電路原理圖，再進(jìn)行PCB板的繪制，最后制板，買元器件進(jìn)行電路焊接，最后進(jìn)行調(diào)試。通過自己親自動(dòng)手實(shí)踐，我才發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際的差別，同時(shí)鍛煉了自己的動(dòng)手能力。我最先是做的數(shù)字顯示部分，基于單片機(jī)來做，我把所有的元器件都準(zhǔn)備好，然后用電烙鐵把它們都正確焊接完成。接著我開始做升壓電模塊電路，也是同樣的流程，畫完P(guān)CB做完板后開始焊接，最終實(shí)現(xiàn)了12V-40V輸出可調(diào)的升壓設(shè)計(jì)功能。此次設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，但經(jīng)過認(rèn)真分析，我發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)還存在一些不足的地方，比如用電位器進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)不太方便，可以嘗試用按鍵控制，使其步進(jìn)0.1V，這樣調(diào)節(jié)會(huì)更加方便和精確。我認(rèn)為我此次對升壓電源的研究具有重要意義，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)可以用于給各種芯片以及電路供電，供電電壓可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，非常靈活，應(yīng)用十分廣泛。參考文獻(xiàn)霍德萱.數(shù)字化DC-DC開關(guān)電源DPWM技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2020.DOI:10.27005/ki.gdzku.2020.001951.張世輝,陳霞.基于UC3843升壓式程控開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2011,24(02):49-51.路子翔,李開宇,李磊等.基于UC3843的輸出可調(diào)開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2019,34(06):105-108.程夢璋,凌朝東,李國剛.升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2013,30(07):99-102.唐建山,林國慶.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器軟開關(guān)技術(shù)的研究[J].電工電氣,2009(04):37-40.曹躍進(jìn),唐海洋,李文鵬.便攜設(shè)備單片集成Boost型DC/DC轉(zhuǎn)換器的分析與應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2017,25(23):143-146+150.翟紅,莫金鍵.基于UC3843的寬范圍輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2011,31(06):70-75.WangJ,LiS,FanJ,etal.NonlinearDisturbanceObserverBasedSlidingModeControlforPWM-BasedDC-DCBoostConverterS