电子设计竞赛_开关压电源设计.doc

大学生电子设计竞赛设计报告 题目:实用开关稳压电源 参赛人：徐天慧 郑春阳 李良起 2012年12月 一、任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源。 图1开关稳压电源框图 在电阻负载条件下，使电源满足要求： 1．基本要求 输出电压UO可调范围：V～V，最大输出电流：A。 U2从1V变到V时，电压调整率SU%（IO=A） IO从0变到A时，负载调整率SI%（U2=18V） 输出纹波电压峰-峰值UOV（U2=V,UO=15V,IO=0.5A） 的效率%（U2=V,UO=15V,IO=0.5A） 2．发挥部分 具有过流保护功能动作电流IO（th）=±0.1A，当排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态 能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的数字显示功能。 。 1.3题目分析 从设计任务上看，本次设计是个DC--DC的电源开关变换器，而且其中电源变换器的效率要求也是非常高的，并且本题的第一个难点在于它输出电压为可调，输出电流也可调。所以要求电压调节与电流调节要精确。 二、方案论证与比较 2.1 DC-DC主回路拓扑的方案选择 DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式，根据要求，需要升降压电路，具体有以下几种方案： 方案1：串并联开关电路形式。实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂，但能达到题目要求的0-15VU，可以满足U2从从1V变到V时，电压调整率SU%的变化。（见图1）  图1 方案2：采用恒频脉宽调制控制器芯龙XL 6009E01，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为400KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。 输出电压为： 以上比较，故选择方案2。 2.2 控制方法的方案选择 考虑到发挥部分要显示输出的电压和电流，所以采用单片机系统控制。控制开关的导通与截止。本系统采用STC12C5A32S2作为系统的核心，内部自带10位AD，精度较高，满足题目要求。通过采集取样电阻的电压，可以计算出输出电压。采集电流传感器的电压，计算出对应电流，当达到动作电流时，单片机控制升降压芯片的EN脚，给低电平，可以关闭升降压模块的输出。 2.3 提高效率的方案选择 影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗，单片机及外围电路供电电路的效率和DC—DC变换器的效率。 升降压斩波电路中开关管的选取：电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。 选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为20kHz。 升降压电路中二极管的选取：开关电源对于二极管的开关速度要求较高，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。与快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用于低压场合。考虑到降低损耗和低压应用的实际，选择肖特基二极管。 控制电路及保护电路的措施：控制电路采取超低功耗单片机IC XL6009E01，其工作电流仅280μA；显示采取低功耗1602LCD；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，，单片机由7805从输入端引出单独供电。 三、详细软硬件分析 3.1 整体设计： 整机原理图 单片机通过键盘控制电压的步进，在芯龙XL 6009E01内部的电压误差放大器产生一个高或低电平，控制脉宽变化，来达到调整输出电压的变化，反复调整后使输出达到设定得值为止。参考电压输出后电压的反馈调节是由芯龙XL 6009E01自动调节的，调节速度快。 由于本设计对效率的要求比较高，所以在设计时尽量选用低功耗的单片机，而且单片机的外围电路要尽量少，本系统外围电路只有键盘，显示（A/D集成在STC12C5A32S2内部），这样可以尽可能的提高效率。框图见图4。 3.2 理论分析与参数计算 3.2.1 控制电路设计与参数设计： 控制电路选用单片机来采集电压和电流，并且在液晶上显示。通过判断电流值的大小