开关稳压电源(E题)

开关稳压电源（E题）

摘要

本系统以Boost升压斩波电路为核心，以MSP430单片机为主控制器和PWM信号发生器，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。系统输出直流电压30V～36V 可调，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到2A，电压调整率和负载调整率低，DC-DC变换器的效率达到93.97%。能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示。

系统特色：1）输出电压反馈采用“同步采样”方式，能有效避免电压尖峰对信号检测的影响。2）采用多种有效措施降低系统的电磁干扰（EMI），增强电磁兼容性（EMC）。3）具有完善、可靠的保护功能，如：过流保护、反接保护、欠压保护、过温保护、防开机“浪涌”电流保护等，保证了系统的可靠性。

1方案论证

1.1DC-DC主回路拓扑

方案一间接直流变流电路：结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。

方案二 Boost升压斩波电路：拓扑结构如图1-2所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为UO=(ton+toff)，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。

E L

C U

O

R L

VD

图1-1 间接直流变流电路

图1-2 Boost升压斩波电路拓扑结构

综合比较，我们选择方案二。

1.2 控制方法及实现方案

方案一 利用PWM 专用芯片产生PWM 控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。

方案二 利用单片机产生PWM 控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM 信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。

在这里我们选择方案二。 1.3 系统总体框图

1） B oost 升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。 2） 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 。 3） B oost 升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。 4） 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MSP430，其工作电流仅280μA ；显示采取低功耗LCD ；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，具体实现见附录图2，单片机由低功耗稳压芯片HT7133单独供电。

2 电路设计与参数计算

2.1 Boost 升压电路器件的选择及参数计算

B oost 升压电路

包括驱动电路和Boost 升压基本电路，如图2-1所示。

2.1.1 开关场效应

管的选择

选择导通电阻小的IRF540作为开关管，其导通电阻仅为77m Ω（V GS =10V, I D =17A ）。IRF540击穿电压V DSS 为55V ，漏极电流最大值为28A （V GS =10 V ， 25°C），允许最大管耗P CM 可达50W ，完全满足电路要求。 2.1.2 PWM 驱动电路器件的选择

单片机I/O 口输出电压较低、驱动能力不强，我们使用专用驱动芯片IR2302。其导通上升时间和关断下降时间分别为130 ns 和50 ns ，可以实现电力场效应管的高速开通和关断。IR2302还具有欠压保护功能。 2.1.3 肖特基二极管的选择

选择ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1 A 电流时仅为0.35V ，并且恢复时间短。实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。 2.1.4 电感的参数计算

1） 电感值的计算： ()2

2

O

O IN O IN B fU mI U U U L -= 其中，m 是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20 kHz,输出电压为36V 时，L B =527.48μH ，取530μH 。

2） 电感线径的计算：最大电流I L 为2.5A ，电流密度J 取4 A/mm 2，线径为d,则

由L I d J =2

2

*）（π得d=0.892

mm,工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。 2.1.5 电容的参数计算 O

O IN O O B U f U U U I C ∆-=

）（

其中，ΔU O 为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,U O =36V 时,C B =1465μF,取为2000μF ，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR ），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。

2.2 输出滤波电路的设计与参数计算 （见附录） 2.3 控制电路的设计与参数计算

图2-1 Boost 升压电路

(a)PWM 驱动电路 （b ）Boost 升压基本电路

单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整PWM 控制信号的占空比，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为系统提供过流保护、过热保护、过压保护等措施，并实现输出电压、输出电流和输入电压的测量和显示。

PWM 信号占空比O

IN U U

D -≈1

当U2=15V ，UO=36V 时，U IN =1.2*U 2-2V=16V ， 最大值D MAX =0.556； 当U2=21V ，UO=30V 时，U IN =1.4*U 2-2V=27.4V ，最小值D MIN =0.087

系统对于单片机A/D 采样精度的要求：题目中最高的精度要求为0.2%，欲达到这一精度，A/D 精度要达到1/500，即至少为9位A/D ，MP430内置A/D 为12位，只要合理设定测量范围，完全可以达到题目的精度要求。

2.4 保护电路的设计与参数计算

2.4.1 过流保护 (共三级) 1） 输入过流保护

在直流输入端串联一支保险丝（250V ，5A ），从而实现过流保护。 2） 输出过流保护

输出端串接电流采样电阻R TEST2，材料选用温漂小的康铜丝。电压信号需放大后送给单片机进行A/D 采样。过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。 3） 逐波过流保护

逐波过流保护在每个开关周期内对电流进行检测，过流时强行关断，防止场效应管烧坏。具体实现电路见附录图5（a ）。考虑到MOS 管开通时的尖锋电流可能使逐波过流保护电路误动作，加入如附录图5（b ）所示电路。 2.4.2 反接保护

反接保护功能由二极管和保险丝实现，电路如附录图3（a ）。 2.4.3 过热保护

通过热敏电阻检测场效应管的温度，温度过高时关断场效应管。 2.4.4 防开机“浪涌”保护

用NTC 电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，见附录图3（a ）。

2.4.5 场效应管欠压保护

利用IR2302的欠压保护功能，对其电源电压进行检测，使场效应管严格工作在非饱和区或截止区，防止场效应管进入饱和区而损坏。

2.5 数字设定及显示电路的设计

分别通过键盘和LCD 实现数字设定和显示。键盘用来设定和调整输出电压；输出电压、输出电流和输入电压的量值通过LCD 显示。电路接口见附录。

2.6 效率的分析及计算 （U 2=18V,输出电压U O =36V,输出电流I O =2A ）

DC-DC 电路输入电压U IN =1.2*U 2-2V=19.6V ，信号占空比D ≈1-U IN /U O =0.456， 输入电压有效值I IN =I O /（1-D ）=3.676A ， 输出功率P O =U O *I O =72 W 下面计算电路中的损耗P 损耗：

1） Boost 电路中电感的损耗： 12

1DCR I P IN DCR ⨯=

其中，DCR 1为电感的直流电阻，取为50 m Ω，代入可得P DCR1=0.68 W