Boost升压稳压电源

数控Boost开关电源

题目: 数控Boost开关电源

组员：索世昌李永杜政立

日期：2013年8月10日

数控Boost开关电源

摘要

开关电源较线性电源说具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业控制、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。基于这些特点本组设计了一套升压式开关电源。升压式开关电源主要应用在供电系统不稳定，并有下降的趋势的场合。通过升压式开关电源可以很稳定的输出所需电压值。该系统以Boost升压拓扑电路为主回路，采用TL494作为开关稳压电源的核心控制芯片，采用TPS2812驱动MOS管，实现了输出电压16V～36V任意可调，最大输出电流2A，以及输出过流保护功能。

关键词：Boost；TL494；数控；显示；过流保护

1引言

开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），通过控制开关管的导通比来维持输出电压的稳定，体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20～30%）、效率高（一般为60～70%，而线性电源只有30～40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。功耗低、纹波小、噪音低、易扩容等特点，使得开关电源具有高的稳定性和性价比，在仪器、仪表、工业自动化等领域得到广泛应用。

2系统方案论证

2.1 DC-DC主电路的设计

方案一：采用UC3525A搭建电路，更适合于运用MOS管作为开关器件的DC-DC变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。

方案二：采用TL494构建Boost变换器，TL494是一种电压控制型脉宽调制控制集成电路，工作频率可高到300kHz，工作电压可达到40V，内有5V的电压基准，死区时间可调整，主要应用于各种开关电源。

上述两种DC-DC主电路的搭建方法，各有其优缺点，TL494是电压反馈型开关芯片，具有双差分放大器反馈控制端口，PWM的死区时间可直接通过分压调节控制，资料较多，易于掌握，故采用TL494作为系统的主控制部分，综合各种考虑我们采用了方案二。

2.2 控制方法选择与论证

开关电源的控制方式分为电流模式控制和电压模式控制。电流控制模式虽然具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应，但是需要双环控制，增加了电路设计和分析的难度，且当占空比大于50%时若没有斜坡补偿，控制环变得不稳定，抗干扰性能差，在比赛过程中不利于发挥，故选则电压控制型。

2.3 辅助电源的选取

方案一：采用最常用的7812的芯片，产生12V电压，然后再接7805芯片产

生5V 的辅助电压。该方案设计简单，外围器件很少，但是效率低下尤其在芯片承受压降比较大时效率就会变得更低。

方案二：采用LM2596集成开关电源芯片，LM2596系列的芯片有固定输出12V 、5V 、3.3V 以及输出可调的一系列芯片，最高可输入电压高达60V ，而且效率比一般的稳压芯片都要高。

设计辅助电源的这两种方案都可以，但是考虑到系统的整体效率，我们最终采用了第二种方案。

3系统方案设计

3.1 DC-DC 主回路拓扑

Boost 拓扑主要分为两种，一种是反极性的，另一种是非反极性的。在本次设计的过程中我们采用了非反极性的，其拓扑结构如下图所示。

图3.1 提高效率的方案及实现方案

3.1.1系统参数的计算

最小电感设计限值的确定：使得输出纹波电压最小的电感设计值为

22min

,min ,min 2O i L KA V fV V R L L

P P == 式(3.1)

由Vi=18V ，R=18Ω，f ＝40kHz ，Vo ＝36V 得最小量为55uH ，考虑到尽可能减小开关管的电流应力，本设计电感量选取的比较大230uH 。

满足输出纹波电压要求的最小电容设计限值由下式确定

,min 'min min min ()

o Xi o V V C C mV fR λλ-== 式(3.2) 其中m=VPP/VO=2％，λ取为2。经过计算我们采用2200uF 的电容作为后级滤波电容。

3.1.2 Boost斩波电路中开关管

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。

3.1.3 开关管工作频率

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40kHz。

3.1.4 Boost升压电路中二极管

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。

3.2 开关管驱动部分

图3.2 开关管驱动

由于我们使用的是型号为IRF540的MOSFET功率开关管，需要较高的驱动电压，同时为了让场效应管可靠性的快速开启和关断中间需要加一级驱动电路，TPS2812驱动芯片驱动能力强，外围电路简单，所以在这次设计中我们采用了这款新片。

3.3 PWM控制器部分

图3.3 控制器电路图

常用的开关频率芯片UC3525A等芯片，UC3525A耐压高、性能稳定。这次作品我们组尝试使用集成芯片TL494，采用TL494开关控制芯片，需外接R、C提供振荡电路，振荡频率为

1/1.1

f RC

一般设计在40KHz左右，同时根据电路设计思想，电阻应尽量取高阻值，电容应尽量小，最终我们确定电阻为10K，电容为2200pF。确定参数各为R＝10KC＝2200pF由于最大输出功率为80W，直接用TL494驱动场效应管不能实现，故中间串接TPS2812P增大驱动能力。

3.4 AD及显示部分

该部分我们采用TI公司生产的12位AD转换芯片TLC2543。根据题目要求该款芯片足以满足要求。在数据采集的过程中为了让数据显示的更为稳定我们采用了多次取值求其平均值的方法，在实际效果中非常好。至于显示部分我们采用了LCD液晶屏。LCD显示屏在实际操作中方便简洁，而且显示突出。其电路图具体如下：