開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)及制作

摘要：本設(shè)計(jì)應(yīng)用隔離型回掃式DC-DC電源變換技術(shù)完成開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)及制作。系統(tǒng)主要由整流濾波電路，DC-DC變換電路，單片機(jī)顯示與控制電路三部分組成。開關(guān)電源的集成控制由脈寬調(diào)制控制芯片UC3843及相關(guān)電路完成，利用單片機(jī)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，完成對輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，同時(shí)由單片機(jī)A/D采集數(shù)據(jù)利用數(shù)碼管顯示出輸出電壓和電流。系統(tǒng)具有輸出電壓可調(diào)范圍寬、噪聲紋波電壓低和DC-DC變換效率高等特點(diǎn)。此外，該系統(tǒng)還具有過流保護(hù)功能，排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。

一、 方案論證

圖1為開關(guān)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)分為三個部分：電路電源、控制回路和顯示設(shè)定部分。

DC-DC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為隔離式和非隔離式兩種。非隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖2所示)，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，而隔離式單端反激式拓樸結(jié)構(gòu)(圖3所示)的輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對負(fù)載供電，即原/付邊交錯通斷。其優(yōu)點(diǎn)就是路電結(jié)構(gòu)簡單，適用于 200W以下的電源且多路輸出交調(diào)特性相對較好。故我們訊用隔離式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

控制方法及實(shí)現(xiàn)方案

方案一：采用脈沖頻率調(diào)制PFM (Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開關(guān)頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。輸出電壓的調(diào)整范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。

方案二：采用脈沖寬度調(diào)制PWM (Pulse Wildth Modulation)的控制方式，其特征是固定開關(guān)的頻率，通過改變脈沖寬度改變占空比,控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。

基于上述考慮及題目的具體要求，我們選用PWM調(diào)制方式。

3.提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案

針對于提高效率的問題，我們想出了兩種方案。

方案一：降低開關(guān)變壓器次級的輸出整流管VD2的損耗，進(jìn)而提高變換效率。可以選擇肖特基二極管，其正向傳輸損耗低，而且不存在快回復(fù)整流管的反向回復(fù)損耗。

方案二：使震蕩器頻率與開關(guān)變壓器的頻率相匹配，可以提高效率。采用RC震蕩電路可以改變震蕩頻率，使之與開關(guān)變壓器的頻率相匹配，達(dá)到提高變換效率的目的。

二、電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

主回路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算

(1) 開關(guān)電源集成控制器

相比于其他芯片，UC3843外電路接線簡單，所用元器件少，且性能優(yōu)越，成本低，驅(qū)動電平非常適合于MOS場效應(yīng)管。

(2) 推動功率管選擇

推動電路選擇功率MOSFET場效應(yīng)管，因?yàn)楣β示w管是電流驅(qū)動，場效應(yīng)管是電壓驅(qū)動，而且開關(guān)速度快，對溫度不敏感。本設(shè)計(jì)需輸出的最大功率為90W左右，同時(shí)輸入電壓為18V左右，故本設(shè)計(jì)采用P60NF06型MOSFET場效應(yīng)管。

(3) 開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)

開關(guān)變壓器是一種以隔離方式傳輸能量的電抗器，和功率MOSFET管串聯(lián)而成。

電流臨界連續(xù)時(shí)原邊電感： ，其中Uimino 為變壓器原邊輸入的最小直流電壓，Ts為開關(guān)周期，P為輸出功率，η為變換效率。

開關(guān)變壓器磁芯氣隙為： ,B為鐵芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，SC為鐵芯截面積，K為最小輸出功率與額定輸出功率之比。

原邊繞組匝數(shù)為 原、副邊繞組匝數(shù)比為 ,UD為輸出整流二極管壓降、U O2為副邊繞組，N2為輸出電壓。同理可求得其他匝數(shù)比。

2.控制電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

控制部分由UC3843產(chǎn)生的PWM波控制MOSFET管的開關(guān)狀態(tài)，由于MOSFET管的開關(guān)狀態(tài)使開關(guān)變壓器的初級線圈產(chǎn)生交變電壓，開關(guān)變壓器的次級通過整流濾波電路輸出所需的直流電壓，同時(shí)通過TL431電壓調(diào)整電路控制光耦回路，返回到UC3843的電壓檢測端，使之達(dá)到穩(wěn)壓。

UC3843的工作頻率

3.效率的分析及參數(shù)計(jì)算

(1) IO=2A，當(dāng)U2從15V到21V時(shí)，電壓調(diào)整率 。

(2) U2=18V，IO從0A到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率

(3)DC-DC變換器效率 ,其中

4.保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

本設(shè)計(jì)具有兩級保護(hù)功能：單片機(jī)軟件控制保護(hù)和UC3843自帶保護(hù)功能。

(1)在電源輸出端，單片機(jī)利用電流傳感器對電流進(jìn)行取樣，經(jīng)過LM324放大器的放大作用后，被送入AD采集芯片AD1543中，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機(jī)進(jìn)行檢測，當(dāng)電流大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器斷開負(fù)載，以保證電源的正常工作。

(2) UC3843正常工作時(shí)，檢測電阻RS 峰值電壓由內(nèi)部誤差放大器控制，滿足 ,其中為UC為誤差放大器的輸出電壓， IS為檢測電流。

UC3843的內(nèi)部電流測定比較器反相輸入端箝位為1V，最大限制電流IS=1V/ RS 。在RS 和3腳之間，用R、C組成一小的濾波器，用于抑制功率管開通時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰，其時(shí)間常數(shù)近似等于電流尖峰持續(xù)時(shí)間。

當(dāng)動作電流超過2.5A時(shí)，電源能自動斷開負(fù)載，排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。

5.數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計(jì)

如圖所示，單片機(jī)檢測鍵盤，并把鍵值送給DA轉(zhuǎn)換芯片MAX504, 12位的數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換成模擬信號，送到電壓調(diào)整部分，進(jìn)而設(shè)定輸出電壓。單片機(jī)實(shí)時(shí)利用TLC1543芯片進(jìn)行AD采集，將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號，并送到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

7.軟件部分設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)流程圖如圖所示。

三、測試方法與數(shù)據(jù)

測試方法

將各電路模塊連接起來，先輸入18VAC，用萬用表的電壓檔測量輸出電壓的可調(diào)范圍;再用電流檔測試最大輸出電流;使輸出電流固定為2A，調(diào)整U2從15V到21V，用萬用表的電壓檔測量出UO變化范圍;使U2固定為18V，調(diào)整IO從0A到2A，用萬用表的電流檔測量出UO變化范圍;使U2=18V，UO=36V，IO=2A,利用示波器讀出紋波的峰—峰值;使U2=18V，UO=36V，IO=2A，利用萬用表的電壓檔測量出UIN 再用電流檔測量出IIN 。