全国大学生电子设计大赛论文

编号         E甲0512       

学校         青岛大学       

学生      吴新明  王悦队

指导教师  刘丹 赵岩岭 王贞  

目  录

一、方案论证    1

1.1 系统总体方案论证    1

1.2 DC—DC主回路拓扑结构选择及论证    2

1.3 PWM控制芯片的选择    3

二、系统的硬件设计    3

2.1 DC—DC主回路的设计    3

2.1.1 整流桥的选择    3

2.1.2 滤波电容的选择    3

2.1.3 开关管的选择    3

2.1.4 开关变压器的设计    3

2.1.5 快恢复二极管的选择    4

2.1.6 输出滤波器的选择    4

2.2 PWM控制回路的设计    4

2.3  单片机控制电路的设计    5

2.3.1 键盘模块和显示模块的设计    5

2.3.2 语音电路功能的设计    5

2.4    光电耦合电路的设计    5

2.5    电流采集电路的设计    5

三、系统的软件设计    5

四、测试方法    6

五、结论    6

摘  要

本系统通过单片机和PWM控制芯片构成的控制电路和半桥式变换器构成主回路，实现了输出电压可调的开关稳压电源。系统可以通过键盘或步进设定电压值，并可以通过LCD实时显示设定电压、输出电压、输出电流和误差。另外，系统还实现了掉电保护、故障语音报警和故障排除后的自恢复功能。系统主要由低频整流滤波、半桥式变换器、开关变压器、高频整流滤波、PWM控制模块、单片机控制系统、信号采集模块、光电隔离模块等部分构成。该系统输出电压调整范围宽、稳定性高；输出功率高；带负载能力强；性能安全可靠、操作简单、实用性强。

关键字：单片机  PWM控制  半桥式变换器  开关变压器

一、方案论证

1.1 系统总体方案论证

开关电源因为其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点日益得到广泛的应用。目前，国内外开关稳压电源的发展的趋势是不断提高输出效率和输出功率。要提高输出的效率，必须提高电源的开关频率。这就对电路中其它器件的频率特性提出了更高的要求。可控的开关稳压电源重要的设计方案有以下两种：

方案一：基于FPGA的开关稳压电源

根据开关电源的原理，经AC/DC/DC变换过程来实现稳定输出电压的功能。其工作过程如下：市电经隔离变压器降压后，通过整流桥整流，电容器滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换过程；通过由FPGA产生PWM调制波控制开关管的通断，输出高频的直流脉冲，经储能电感平波、电容高频滤波后，输出可调的直流电压。如图1.1所示。

方案二：单片机和开关电源专用PWM芯片相结合的开关稳压电源

根据方案一中AC/DC//DC的设计思路，使用单片机与专用的PWM调制芯片相结合的方式来控制开关管的导通。不断检测电源的输出电压，并将采集的输出电压信号分为两路：一路直接反馈到PWM集成芯片的反馈输入端，构成连续的闭环控制系统；另一路经A/D转换器变为数字信号送入单片机处理。根据电源输出电压与设定值之差，调整D/A转换器的输出，控制PWM芯片，间接控制电源工作。作为辅助的反馈调节。另外，还可以通过对输出电流进行采样，输入到单片机中，实现过流保护。如图1.2所示。

以上两个方案中，方案一使用FPGA使用的是离散数字PWM调制方式，所以输出的PWM的最高频率只能达到25kHz，输出电压纹波较大，影响输出电压的指标，故难以达到设计要求。而方案二采用双闭环控制方式，开关频率达到100kHz，输出电压稳定，纹波成分少，能够达到题目的设计要求。因此，选择方案二。

本系统的原理框图如图1.3所示：

1.2 DC—DC主回路拓扑结构选择及论证

方案一：采用全桥变换器拓扑，如图1.4所示。在全桥电路中，其变压器双向励磁，容易达到大功率，但其结构复杂，存在直通问题，需要复杂的多组隔离驱动电路。另外，使用的开关管多，功率损耗较大；

   图1.4  全桥变换器拓扑图                      图1.5  半桥变换器拓扑图

方案二：采用半桥变换器拓扑，如图1.5所示。在半桥电路中，对使用的功率开关管耐压要求更低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。更重要的是，半桥电路较之全桥电路使用的开关管要少，损耗更少，在保证满足输出功率要求的前提下，利于效率的提高。                    

鉴于其优点，选择方案二。

1.3 PWM控制芯片的选择

PWM控制芯片的选择主要考虑输出的PWM信号的频率和幅度，能否达到效率和开启开关管的要求。PWM信号的频率越高，效率越高，并且设计的开关变压器的体积越小。目前比较常用的PWM控制芯片的有TL494和SG3525。

TL494内有两个误差放大器，能同时实现电压模式的控制和电流模式控制，但在本系统中不能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，不便于实现过压和过流保护。

SG3525具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便的实现过压和过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180度的PWM信号，结合开关电路，能有效地减小输出电压的纹波。输出的PWM信号的频率在100～400kHz之间可调，信号的幅度可通过外接电源Vcc控制，达到开启开关管的要求。另外，SG3525还可以将输出电压采样反馈，形成硬件闭环提高了稳压精度。

综上考虑，本系统选择方案二。

二、系统的硬件设计

2.1 DC—DC主回路的设计

2.1.1 整流桥的选择  

整流桥的选择主要考虑流过二极管的平均电流和耐压值要满足设计要求。本系统选择的是RS1010G，该整流桥的平均电流为10A，耐压为50V。

2.1.2 滤波电容的选择  

滤波电容的选择主要考虑极性滤波电容的耐压要满足设计要求。本系统选择的是耐压为50V ，容值为4700μF的极性电容。

2.1.3 开关管的选择  

开关管的选择主要考虑其开关速度、管压降和允许通过的电流等指标。本系统选择了IGBT GTP20N60C3作为开关管，GTP20N60C3为电压型开关管，其驱动功率较小，开关速度可达100KHz，允许通过电流较大能达到20A，导通管压降为0.7V，性能优于其它开关管，可以达到设计要求。

2.1.4 开关变压器的设计

根据设计要求，工作频率为：，则，为了达到要求的输出效率，变压器的效率选为，留有一定的余地，输出功率最高选为。选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其材料的饱和磁感应强度为，电流密度j=400A/cm2。

1、磁芯的选择

对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时，磁芯的几何面积S和窗口面积Q与输出功率满足关系，其中，，。代入得。查手册可知，EE42B磁芯的，，则，SQ值大于计算值，满足设计要求。

2、计算原副边绕组匝数 

，，，

，

，

，。

3、计算绕组导线线径

穿透深度，允许最大线径。

副边绕组导线截面积为   ，选用d=0.59 mm的漆包线 ，则  ，取8股并绕。

原边绕组导线截面积为，取14股并绕。

2.1.5 快恢复二极管的选择

本系统输出侧采用全桥式滤波电路。快恢复二极管的选择主要考虑流过二极管的平均电流和耐压值要满足设计要求。本系统选择的是FR307，该整流桥的平均电流为3A，耐压为1000V。

2.1.6 输出滤波器的选择

本系统采用LCπ型滤波，由耐压50V，容值为1000μF的极性电容和33μH电感构成。

2.2 PWM控制回路的设计

本系统选用SG3525来构成PWM控制电路。要求输出频率为100kHz，根据公式计算，电容，电阻选用10kΩ可调精密电位器调整实现；15和13脚选择12V电源分压为8V，使输出PWM波幅度为7V左右，满足开关管的导通要求。电路结构和参数见附件一。

2.3  单片机控制电路的设计

2.3.1 键盘模块和显示模块的设计

键盘模块采用串行接口芯片HD7279，为降低功耗选择了液晶OCMJ4*8C作为显示器件。电路结构和参数见附件一。

2.3.2 语音电路功能的设计

在本系统设计中实现了报警语音提示功能。采用了凌阳公司SPCE061A，工作在2.4~6.0V范围内，最大输出功率可达700mW，其具有强大的语音处理功能，语音信号从X1输入端输入，带自动增益控制，语音输出接口与主CPU采用串行控制。该电路可以在单片机的控制下实现电压值和过流故障的语音提示。

2.4光电耦合电路的设计

本系统中的线性光电耦合器选用了SLC800，该光耦具有线性度好，增益可调的优点。电路结构如图2.2所示。

图2.2  光电耦合电路

2.5电流采集电路的设计

本系统中的电流采集选用了单电源供电的AD623，电路结构如图2.3所示。

图2.3  电流采集电路

三、系统的软件设计

系统程序流程图见附件二，中断子程序流程图见附件三。

四、测试方法

1、测试输出电压的范围

从键盘输入设定电压值，用万用表直流电压档测量输出电压的调整范围。

2、测试输出电流的范围

调整负载，用万用表直流电流档测输出电流的调整范围。

3、测试输入电压调整率 

设置可调负载装置，使电源满载输出。 设定值为36V

调节调压器，使输入电压为下限15V，用万用表测试直流电压档测量输出电压为U1； 

    调节调压器，使输入电压为额定值18V，用万用表测试直流电压档测量输出电压为U0； 

    调节调压器，使输入电压为上限21V，用万用表测试直流电压档测量输出电压为U2； 

U=max{U1，U2}

则： 电压调整率Su={(U- U0)/U0}×100％ 

 4、 测试负载调整率

输入电压为额定值18V

调节负载，使输出电流取最小值，用万用表直流电流档测输出电流为U1；

调节负载为50%满载，用万用表直流电流档测输出电流为U0； 

调节负载为满载，记录对应的输出电压U2； 

U=max{U1，U2}

则： 负载调整率={(U- U0)/U0}×100％ 

5、测试输出噪声纹波电压峰-峰值

在满载情况下（U2=18V，Uo=36V，Io=2A），用20MHz的模拟示波器，测量Uopp

6、测试DC-DC变换器的效率η

用万用表测量DC-DC变换器的输入-输出的电压电流，Iin，Uin，Io，Uo，根据η=（IoUo）/（IinUin）计算效率。

7、测试过流保护功能

调整负载，使Io达到过电流2.5A，测试电源是否自动关断。

测试数据见附件四

五、结论

本系统设计的可控开关稳压电源，能够达到设计要求的各项指标。可调电压的范围可以达到29～38V；电流范围达到0～2.5A；电压调整率小于0.2%；负载调整率小于0.5%；纹波小于0.6V；效率可达到87%。功能方面可以通过键盘设定电压值，也可以进行步进调整；可以进行电压电流的测量和显示；实现了过流故障的语音报警功能，并能在故障排除后自动恢复正常工作状态。整个系统性能稳定，安全可靠。以后可以考虑选择采样频率更高的A/D转换器，可进一步提高系统的调整速度，从而进一步提高系统的稳定性。

附件一  系统电路原理图

附件二  系统程序流程图

附件三  中断子程序流程图

附件四     测试数据

1、测试输出电压的范围

5、测试输出噪声纹波电压峰-峰值

调整负载，使Io达到过电流2.5A，电源可以自动关断，并在故障排除后自动恢复正常工作。