2007全国电子设计大赛E题获奖论文报告

题目：开关稳压电源（E题）

摘要

本设计综合考虑题目基本部分和发挥部分的指标要求，系统采用简单的boost 升压电路作为DC-DC变换器主电路；PWM控制器采用低压型专用集成芯片UC3843; 主开关管采用IRF540；由内置12位A/D、D/A的高性能、低功耗单片机C8051F021组成系统测控与显示单元，采用液晶显示器作为系统的状态和运行数据显示屏。通过实际测试，作品的性能指标中，输出纹波完全达到了要求；电压调整率，整体效率，负载过流故障排除后自恢复功能，输出电压键控1V步进，电流、电压实时测量及数显功能等几项指标达均到了发挥部分要求；负载调整率也接近发挥部分指标要求。另外，系统还增加了实时输出功率数据显示和负载过流状态下的声、光报警等实用功能。

一、引言

为了满足题目发挥部分规定的电压调整率、负载调整率以及效率等几项指标要求，我们在设计中主要是尽量减少辅助控制电路的损耗。通过单片机和脉宽调制电路来稳定输出电压，并通过单片机的控制实现对整个电路的过流保护功能，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常工作状态。同时，当输出电压与设定电压误差较大时，单片机能对输出电压进行一定调节，以提高负载调整率；通过单片机实现了输出电压的键盘设定和步进调整（步进为1V）。系统具有测量和数字显示输出电压、电流的功能。此外，还增加了实时输出功率测量与显示、在输出过流的时候系统发出声、光报警信号等功能。

二、方案论证与比较

1．DC-DC主回路拓扑方案论证

方案一：采用变压器升压的隔离型PWM直流－直流变换器电路，此电路效率较低，开关辐射/纹波较大，电路较复杂。

方案二：采用非隔离型BOOST升压电路，控制电路用专用集成芯片UC3843A，这种电路使用的外部原件最少、调试容易、成本低、效率高。因此，采用此种方案。

2. 控制方法及实现方案

方案一：采用电压型脉宽调制技术，产生频率固定，脉冲宽度可调整的方波脉冲，采用电压反馈环控制系统，它的反馈信息取自输出电压，用反馈电压调整控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲占空比，实现开关电源的稳定。

方案二：采用电流型脉宽调制芯片，此技术与传统的仅有输出电压反馈的PWM系统相比增加了一个电感电流反馈。此反馈就做为PWM的斜坡函数，就不再需要锯齿波发生器，更重要的是使用电感电流反馈使系统的可靠性有了明显的改善，经比较具有如下优点：

1)使系统具有快速的瞬态响应及高速的稳定性。

2)输出电压精度很高。

3)具有内在的对功率开关管电流的控制及限流能力。

4)具有良好的并联运行能力。

可以看出方案二的控制性能明显优于方案一，所以采用方案二。

3. 提高效率的方法及实现方案

单片机系统及其它辅助电路的功耗对电源的整体效率有很大的影响。所以选用一款功耗低的单片机作为控制与显示单元电路。采用效率高、开关速度快、损耗小的MOS场效应管作为主开关管。选用快速、低损耗的肖特基二极管作为输出

端的整流/升压二极管。

根据以上可以提高效率的方法综合出包括以下三个方面的方案：

1)放弃使用常规的高功耗单片机8051而改用与51系列兼容的但内置12位

A/D, D/A转换器的新型高性能、低功耗单片机C8051F021，由于A/D, D/A

转换器内置，并具有可编程的前置放大器，外围电路结构简单，性能可

靠。内部嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，显示器采

用液晶屏。这样可以减小控制单元电路的损耗，使系统的整体效率提高。

2)使用高效率的MOSFET管IRF540代替传统的双极型晶体管，因为它的

开关速度高、导通和关断时间短，开关损耗小，并且是电压控制型元件，

驱动功率小，可以用专用集成电路直接驱动，不存在二次击穿，热稳定

性好等，因而可靠性高。

3)采用低功耗、超高速、反向恢复时间短的肖特基二极管MBR1545，可有

效降低开关损耗并提高开关频率。

三、电路设计与参数计算

1.系统框架

本系统由以下几大部分组成：隔离变压器、整流滤波电路、过流保护电路、DC-DC变换电路、控制电路、键盘输入电路、显示电路、过流声光报警电路等。

RS

图一

2.主回路器件的选择与参数计算

整流桥的选择：隔离变压器输出的交流电压为18V，整流桥的电流最大可达5～6A，为了得到较好的直流量，用全桥整流，整流桥的耐压应为50V以上，正向电流大于等于8A，实际电路中采用10A/600V整流桥。

滤波电容器选择：要求输出的最大电流为2A，最大电压为36V，所以输出最

大功率约为72W ，按照电路效率为80％计算。可得整个电路输入的功率约为90W 。电路自身功率达18W ，根据P=U 2/R,可求得整流滤波电路的等效负载电阻R ≈6欧姆，滤波电路的基波周期10mS ，按一般要求，滤波电路的时间常数τ＝C×R ＝30mS ～50mS ，所以，滤波电容C 选用4700µF/50V 和1000µF/50V 并联（考虑到有输入电流测试端口的存在）。

整流滤波部分电路图见图二。

图二整流滤波部分电路图

开关管的选择：功率MOSFET 具有导通电阻低、负载电流大的优点。栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对栅极等效电容（CEI ）的充放电。流经MOS 管的电流理论平均值：I D =T OFF •I O /T=I O •V O / V i ≈5A 。所以，MOSFET 应选用平均电流大于10A 、电压大于50V 的管子，实际选用IRF540N ，I F =28A 、V R =100V 、P D =150W 、R DS(ON)=0.077Ω。

升压二极管的选择：二极管要采用正向电压降低，反向恢复时间短的二极管，所以选用反向恢复时间为60us 以下、反向耐压为45V 以上的肖特基二极管。它是一种低功耗、超高速半导体器件，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。实际电路中选用MBR1545：I F =15A 、V R =45V 。

主储能电感器L 1的制作。按公式：L f

I D V O *-≥

02)

1(计算得电感量应大于等于

100μH 。实际采用Ф38的高性能环形高频磁芯、用Ф 0.8的漆包线绕28圈。

3.PWM 控制电路的设计与参数计算