开关稳压电源设计

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1、编号：E甲09042007全国大学生电子设计竞赛题目E：《开关稳压电源》参赛学生：李泉泉、满中甜、董学峰指导教师：刘晓军、郑亚民、周强学校：山东大学威海分校院系：信息工程学院2007年9月6日6开关稳压电源（E题）摘要该电源以单端反激式DC-DC变换器为核心。市电通过自耦式调压器，隔离变压器，整流滤波后产生直流电压，经DC-DC变换得到题目所需输出电压，实现了开关稳压电源的设计。DC-DC变换器采用脉宽调制器（PWM）UC3842，通过调节占空因数使得输出电压UO在30V～36V范围内可调；微控制器与键盘显示构成了控制显示模块，能对输出电压进行键盘设定和

2、步进调整，并显示输出电压、电流的测量和数字显示功能，形成了良好的人机界面。关键词：DC-DC变换器，脉宽调制器（PWM）1方案论证1.1DC-DC主回路拓扑适合本系统的DC-DC拓扑结构为单端反激式DC-DC变换器，利用UC3824芯片作为控制核心，该芯片抗电压波动能力强，并可使负载调整率得到明显改善，而且其频响特性好，稳定裕度大，过流限制特性好，具有过流保护和欠压锁定功能。1.2控制方法及实现方案手动输出电压调节采用电位器改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，使其满足题目要求，该方案电路结构简单，实现方便。键盘设定通过单片机改变模拟开关接通通道，

3、选取取样回路的电阻节点位置，改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，实现发挥部分的键盘设定功能。1.3提高效率的方法及实现方案在DC-DC变换器中，主要消耗功率的元件有主回路的开关管、续流二极管、储能电感等部件。本设计中提高效率的措施主要有：通过增加电感线径减小电感阻值；采用低内阻的高效率MOSFET作为主回路的开关元件；采用高速低正相压降的肖特基二极管降低其功耗。2电路设计与参数计算2.1电路整体设计本设计以DC-DC变换器为核心，辅以隔离变压、整流滤波、控制显示等功能模块，完成开关稳压电源各项功能（见图1系统框图）。6控制显示图1系统框图通过调节

4、滑动变阻器改变占空比实现输出电压的变化，使其满足题目要求（见图2电路原理图）。图2电路原理图1.1主回路器件的选择及参数计算开关电路核心电路（见图3）。图3开关电路核心电路6在主回路的器件选择中主要是电感和电容，其中电感的选择方法计算如下：各参数定义：Ioff：场效应管关闭时流经电感的电流Ion：场效应管导通时流经电感的电流Vin：经整流滤波后输出电压Vo：输出电压VL：电感两端电压T：开关周期Ton：一个周期内开关导通时间Toff：一个周期内开关关闭时间D：占空因数流经电感的电流表达式：i(t)=i(0)+∫VL/LdtMOSFET导通时流经电感的电流

5、：iL=Ioff+∫VL/Ldt=Ioff+VL*t/LMOSFET关闭时流经电感的电流：iL=Ion-∫(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，则：Ion=Ioff+Vin*Ton/L(1)Ioff=Ion-(Vo-Vin)*Toff/L(2)由(1)(2)两式可得：Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)上式即为开关电路的输出电压与输入电压的关系。在导通期间电路消耗的能量为：Eon=∫P(t)dt=∫i(t)Vindt=∫(Ioff+Vin*t/L)Vindt=Pout*T，得:Ioff=(Pont*T-Vin2T

6、on2/2L)/Vin*Ton在开关电路的导通和关闭时期，电感的电流应是连续的，需满足：Ioff>=0则：L>=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf当D=1/2时，Vo=2Vin,上式右边取最大值，此时：L>=Vo2/32Poutf题目要求：输入电压Vin的范围是15V到21V,输出电压Vo的范围是30V到36V。由于经整流滤波后电压会有所提高，一般满足：Vinmin=15*1.2V=18VVinmax=21*1.414-1.5=28VVomin=30VVomax=36V于是：Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067D

7、max=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要达到50%。若取f=100kHz,Iomin=0.1A，则可计算出Lmin的取值可为0.1mH。1.1控制电路设计与参数计算通过调节滑动变阻器改变占空比，实现输出电压的调节.为满足输出电压在30~36V可调，则R5、Rw、R6满足如下方程组VOMAX=VREF[1+(R6+RW)/(R5+R6+RW)]VOMIN=VREF[1+R6/(R5+R6+RW)]经计算可得R5=27KΩ,Rw=5KΩ,R6=2KΩ6保护电路设计与参数计算TL3824芯片内部有一引脚Isense，外接电阻和电容，即可实

8、现过电流和过电压保护功能。根据TL3842的参数，Isense端的保护电压为1V