开关稳压电源(陈辉)

一.方案论证 (2)1.1题目解析 (2)1.2方案比较与选择 (2)二.电路设计与参数计算 (3)2.1 升压型开关稳压电源的工作原理 (3)2.2 LM2587芯片的特点 (5)2.3 总体电路设计 (5)2.3.1 输出电压的限制 (5)2.3.2 储能电感L与稳定性 (5)2.3.3 R1、R2输出电压取样电阻的选取与输出电压的控制 (5)2.3.4 过流保护 (6)2.3.5 其它元件的选取 (6)三.测试方法与数据 (6)3.1测试仪器及设备 (6)3.2测试方法及测试数据 (6)3.2.1 输出电压UO 及输出电流IO 的测定 (6)3.2.2 电压调整率的测试 (6)3.2.3 负载调整率的测定 (7)3.2.4 发挥部分 (7)四．测试结果与结论 (7)一.方案论证1.1题目解析根据题目的要求，此系统的重点在于DC-DC升压转换电路的实现。

由于此系统并不是超大功率输出，所以在激励方式上，我们选择内部损耗小、转换效率高、成本低的自激式开关稳压电路。

在调制方式上，我们选用通过单一改变脉冲宽度，也即调节占空比来实现对输出电压的调节与控制。

选择自激调宽式开关稳压电路，在控制部分，可以通过单片机或专用电源芯片来实现。

1.2方案比较与选择方案一：将经过隔离变压器得到的18VAC整流滤波后通过Boost升压电路进行DC-DC 转换，由Atmega16单片机产生PWM并控制其占空比，从而得到要求的直流电压，如图1所示。

此方案仅用一块的控制芯片便既可以实现对Boost电路的控制，又可以结合A/D和D/A对输出电压进行步进调整和显示。

但由于单片机只能产生脉宽调制所需的PWM信号，在实际制作中为做到闭环式的控制会比较麻烦。

图1 方案一单片机作控制器方案二：采用UC3842专用电流脉宽调制电源芯片来设计DC-DC升压转换电路，如图2所示。

UC3842具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器，最大占空比可达 100％。

另外，具有内部保护功能，如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。

由此设计而成的电路易于实现脉宽调制，然而在真正使用时会发现，为得到要求的电压输出值，开关管S的参数选取相当不易。

图2 方案二 脉宽调制电源芯片作控制器方案三：有一种型号为LM2587的反馈开关电压调节器，其内部就具有大功率开关管,并且还含控制、驱动和保护电路，整个电路形成一个具有自适能力的自动控制反馈闭环环路，使用起来比较方便。

用LM2587作控制器，能够在保证易于得到所要求输出结果的前提下简化电路，从而更易于实现要求功能。

图3 方案三 自激式开关电源芯片作控制器所以采用方案三，电路拓扑结构如图3所示。

二.电路设计与参数计算2.1 升压型开关稳压电源的工作原理如图4所示，升压型开关稳压电源由功率开关、二极管、储能电感、滤波电容等组成。

此升压电路基本波形如图5所示。

设功率开关的转换周期为T,导通期的时间为Ton,截止期的时间为Toff,占空比为D,其中D=Ton/T 。

功率开关S 在导通期间，储能电感L 中流过电流的变化量为1U iIl T on L ∆= 1功率开关V 截至期间，储能电感L 中流过电流的变化量为2U oIl T off L ∆= 2而达到稳压电源的最基本条件要求12Il Il ∆=∆，所以整理可得11TonUo Ui Ui Toff D ==- 3图4 升压型开关稳压电源的电路结构图5 升压电路基本波形图由式子3可以得到如下结论：（1）通过控制功率开关S 的基极所加的驱动信号的占空比D ，就可以克服由于输入交流电网电压或输入直流电压或其他参数的变化而引起的对开关稳压电源输出电压的影响，能够起到降低输出电压的波动，稳定输出电压的作用。

实际电路可以采用由取样、放大、比较、反馈耦合等环节构成的闭环控制系统来实现对占空比D 的控制，也就是所说的脉宽调制原理（PWM ）.（2）此电路的工作是依靠功率开关S 基极的驱动信号使功率开关S 启动、导通和关闭，而工作于导通和截止的功率转换状态中的。

这样我们可以在输出端或功率转换过程中加一取样电路，将输出的电流和输出的电压的变化量取出，再经过放大、处理和比较后，形成一个与输出的电流和输出的电压有关的，也就是能够自动控制和调节驱动信号占空比的驱动信号来控制和驱动功率开关管S 的工作。

（3）在（2）的基础上，如果输出端或者负载电路出现短路而造成过流现象，或者由于其他原因造成输出端过压现象，施加于功率开关S 基极的驱动信号便可以将功率开关S 及时地关断，并使其处于截止状态，及时开关稳压电源停止工作。

这样既保护了开关稳压电源电路本身免遭损坏，又保护了负载电路不被损坏。

据此可以对电路进行过压、过流、过热等保护。

2.2 LM2587芯片的特点此芯片的内部结构如附录一所示，LM2587内含功率开关管，采用它即可省去对开关管的调整。

而且，其内包含有误差检测和误差放大电路部分。

它们把输出端的不稳定因素（包括过流、欠压、过热等现象）经反馈检测出来并放大后输送给调制电路，调制电路通过调节驱动信号的脉冲宽度来消除这些不稳定因素。

这样，整个电路形成了一个具有自适能力的自动控制反馈闭环环路。

2.3 总体电路设计我们结合芯片的内部结构特点，设计了总电路图，见附录一所示。

2.3.1 输出电压的限制一个Boost 升压转换电路最大的输出电压是最大的转换电压减去二极管上的压降。

在反馈电路中，最大的输出电压 由转换比N 和占空比决定。

表达式为：/(1)Uout N Uin D D ≈⨯⨯- 4反馈电路的占空比由下式决定：()()Uout VfUoutD N Uin Usat Uout Uf N Vin Uout +=≈-+++ 5理论上来说，如果转换比不变，最大的输出电压应该能够达到很大。

但是， 有一些实际因素限制转换比，所以输出电压不能达到无穷。

在LM2587开关芯片中，这些限制因素为电容和电感，还有输出二极管的转换时间。

DW 采用高速开关整流二极管。

2.3.2 储能电感L 与稳定性如果占空比大于50%，所有电流模式控制的调节器工作时都会受到不稳定的影响。

为了降低分频谐波的影响，需要获得使升压电路和反馈电路正常工作的最小电感值。

若VSAT 为开关饱和电压（可以在资料图中找到），则电感最小值的计算公式为2.92[(())(2()1)]()1()Vin M in Vsat D M ax L H D M ax μ--- （Min ）= 6此电路中我们选择了40H μ的电感。

2.3.3 R1、R2输出电压取样电阻的选取与输出电压的控制从总电路图中可以看到，输出电压受电阻R1和R2的控制。

UOUT=UREF(1+R1/R2) where UREF=1.23V 7输出电压在电阻R1和R2上有压降，所以输出电压可以和内部参考电压1.23V 做比较。

R1=R2(UOUT/UREF-1) where UREF=1.23V 8 我们在选择R1 与R2 时，先用50 kΩ的R1 和100kΩ的R2 尝试，得到的输出电压范围为23V到28V.保持R2 不变，增大R1 ,UOUT 变大；保持R1 不变，R2增大，UOUT 变小。

多次实验后选择R1=32 kΩ，R2=10kΩ，得到的输出电压变化范围为24V到44V.为了保护芯片，我们在电位器后串联了一个2k的电阻。

2.3.4 过流保护当负载电路系统出现故障或短路现象而引起开关稳压电源电路输出电流超过额定值时，为了保证电源电路本身和负载系统电路不受损坏，需要设置过流保护电路，以便在很短的时间内将电源电路关闭。

我们通过软件对继电器开关进行设置，当输出电流在2.5±0.2A范围之内时，即截止电流的流向，将电源电路关闭。

2.3.5 其它元件的选取根据芯片的原有资料，取Rc=2k,CB=0.47μF,CDT=680μF.三.测试方法与数据3.1测试仪器及设备见表1所示。

表1 测试仪器及设备3.2测试方法及测试数据3.2.1 输出电压UO 及输出电流IO 的测定系统通过改变R2 和负载来测定输出电压UO和输出电流IO的值 .测得输出电压的可调范围为：24V～44V；最大输出电流IOmax：2.8A.3.2.2 电压调整率的测试测试方法：如图6所示，万用表1和表2分别测量输入电压U2 和输出电压UO 。

表3测输出电流。

测试时通过移动变阻器划片使表3示数恒为2A，测量U2从15V变到21V时，输出电压UO的大小。

测量三次，每次R2取不同的值。

图6 电压调整率测试示意图测量结果如表2所示。

表2 电压调整率测量表最终计算结果此开关稳压电源的电压调整率为SU =5.2%3.2.3 负载调整率的测定测试方法：电路连接方式仍如图8所示，测量时调整耦合变压器使得U2 很为18V，测量输出电流从0到2A时表2的示数。

测量三次，每次R2取不同的值。

测量结果如表3所示。

表3 负载调整率测量记录表格最终计算结果此开关稳压电源的负载调整率为Su =4.2%，满足基本要求。

3.2.4 发挥部分本开关电源在30到36V的输出电压间可以进行步进键盘设定和步进调整以及数字显示。

四．测试结果与结论从测试数据中可以看出，我们的开关稳压电源达到了基本要求并很好地完成了发挥部分的数控步进功能。