全国电子设计大赛论文电源设计

一：方案论证

1.系统总体设计方案

根据题目要求，总体设计方案如下：将交流电220V送进隔离变压器，一级输出18V 交流电。通过整流滤波，将交流电转为直流电，进行DC-DC升压和降压。副DC-DC实现的降压值为5V，用于给单片机控制系统供电。通过键盘可以对主DC-DC升压的输出电压进行设定和步进调整，并由AD对输出进行采样，通过在单片机内预置的算法对输出进行补偿调整，同时从液晶屏上数字显示出电流和电压值。当开关稳压电源输出电流达到上限时，启动过流保护；当故障排除后，开关电源恢复正常工作。系统总体框图如图所示。

图系统总体框图

2.主DC-DC升压电路设计方案

DC－DC升压电路采用自举式升压方式，如图所示，当晶体管导通时，电感与电源接地端直接相连，形成回路。随着能量存储到电感的磁场中，流过电感的电流斜线上升，磁力线增强。

当晶体管截止时，磁场开始消失。随着它的减弱，会切割电感的导线，产生一个电压。由于磁场的运动方向与磁场建立时的方向相反，所以感应电压反向。从而实现升压的过程。

图自举式主DC-DC回路拓扑图

3.控制方法及实现方案

对主DC-DC升压转换器的控制方法采用硬件闭环控制为主、软件补偿和测量相结合的方法对DC-DC的输出进行精确控制。硬件控制采用国家半导体公司的LM2587-ADJ开关电源控制芯片组成对输出主回路的电压闭环控制，实现对系统的粗调。软件控制选用

STC12C5412AD单片机作为系统控制器，系统的显示、按键、A/D、D/A全部集中在核心控制板上，通过预置算法实现对系统的精调。

4.提高效率的方法及实现方案

1.降低二极管的损耗：二极管一般需要的导通电压降。在输出电压为时，二极管要消耗一定的输出功率。而肖特基二极管的导通压降一般为～，因此使用这类二极管这能够有效降低其上的功率损耗。

2.降低开关管的损耗：如果将开关管设计在外围电路中，极易由于设计参数的问题导致开关管部分时间工作在线性区，会引起一定损耗。在设计中，选用LM2587，它将开关管集成到芯片内部，参数由厂家整定，可以大大减少功耗。

3.减少铜损：铜损是由导线的寄生电阻和电感线圈引起的。实际设计中，选用横截面积大的铜丝，并采取多股缠绕的方法，减少单位横截面积电阻。

4.减少铁损：引起铁损的原因有两个——磁滞损耗和涡流损耗。在实际操作中，采用EI型电感磁芯，并在连接处留有一定空隙。由于存在空气间隙，使之不易产生磁滞和涡流。

二：电路设计与参数计算

1.主回路器件的选择及参数计算

题目中要求：18V 交流输入时，经转换后输入电压为（理论计算得出），负载端电压为30V~36V 。最大输出电流I omax 为2A ，主DC-DC 升压变换器效率η≥70%(发挥部分要求达到η≥85%)。据此，在主DC-DC 升压回路中主要用来实现DC-DC 变换器的器件为LM2587-ADJ 。LM2587-ADJ 内部有一个100kHz 的振荡器，内部开关电流额定值5A ，负载电压V load <65V ，输入电压需保持在4V~40V ，变换器效率90%，理论上完全满足设计需求。 主DC-DC 回路电路图如图所示，通过改变R 2和R 3的比值即可设定所需负载电压值。

图 主回路原理图

将反馈电压与内部参考电压进行比较：

V load =(1+32R R ) （2-1）

已知 1 k Ω<3R <5 k Ω

例如选取R 2=115k Ω，R 3的值根据V load 的设定选取。

load load load I V P =)(负载功率 （2-2） ply load P P sup 9.0=（输入功率） （2-3） in in ply I V P =sup (输入电流）输入电压，in in I V （2-4） 对电感L 来说，选择 in I i 25.0=∆ （2-5）

dt

di L

v L = （2-6） i t v L L ∆∆= （2-7） 开关的占空比为 load

in V V D -=1 （2-8） 开关导通时间 t ∆=DT （T 为电感的工作周期，常值s μ10）

通过公式计算得到L 的范围：78μH ~93μH 。

按照设计要求，在LM2587前级需加两个输入电容。在开关导通时，较大的C 1给开关提供电荷。它应该尽量大些，能够在100kHz 的内部振荡器条件下工作，并提供LM2587要求的电流。电容C 2应该是一个相对小一些的陶瓷电容。这种类型的电容比电解电容C 1快得多，使它可以响应开始导通的瞬变过程。

2、控制电路设计与参数计算

硬件控制电路如图所示。LM2587的2

引脚为反馈端，通过两个电阻分压产生一个电平

同内部基准比较从而对输出进行调整，为了方便引入

软件的补偿控制作用，增加了如图所示的控制电路，通过D/A输出改变芯片反馈点电压，从而可以在要求范围内设定输出电压值，并对其进行调整补偿。

图软件补偿控制电路

R

和R3的阻值选取决定了软件输出补偿的上限值，这个值由公式（2-1）可求得。D/A 2

设定的零点由二极管导通压降决定。二极管选用反向漏电流较小的1N4148，R2 R3根据题目要求计算。设定满值输出电压为44V，系统可以在30～36V之间自由调整，根据LM2587设计文档R3要求取值1 kΩ~5 kΩ，选取 kΩ，可以求得R2为84 kΩ。

控制程序流图如图所示。

3、效率的分析及计算

从系统总体分析，整流后输出功率损耗分布在两个部分，一个是DC-DC升压主回路，另一个是单片机等控制显示电路部分。根据LM2587的技术文档，此类升压电路的效率应该可以做到90%以上。从本系统分析，第二部分本身的功率损耗比较小，留足余量按照100mA的通过电流5V供电电压计算，这部分功耗只有，占总功率72W的%，这是完全可以承受的。但是由于前级输入电压为若采用线性电源，如L7805等电压芯片，那么在其上的功耗便有×0.1A=，加上原有功耗，那么在这部分消耗的功率将达到总功率的3%，这个会极大的降低电源的性能。因而这部分供电采用DC-DC模式降压输出，控制芯片使用

MC34063，效率可以达到89%。这样计算出的功耗为。

对于DC-DC升压部分，二极管的损耗，由于二极管并非一直导通，而且设计中使用了低压降的肖基特二极管代替了普通的快恢复二极管，因而其功耗上限值为×2A=。开关管集成在图软件流图

LM2587内部，按照3W的损耗计算。铜损、铁损的损耗需要根据实际使用的磁芯及布线的寄生电阻而定，初步估算为3W。

这样根据上述分析计算系统功耗++3W+3W)/72W=%，并结合芯片的技术文档分析本系统的效率应当可以达到90%。

4、保护电路设计与参数计算

保护电路采用单片机控制完成，首先由A/D采样锰铜丝采样电阻端，获得采样数据后进入单片机内部进行数据处理，并判断是否通过电流达到过流保护的动作阈值。如果达到动作阈值后，单片机首先控制继电器关断输出回路，然后控制系统发出试探电流，检测负载端故障是否解除，如果解除，则恢复供电，否则继续过流保护。

5、数字设定及显示电路的设计

按键使用4×4矩阵键盘及A/D扫描按键（互为备份），获得按键键值后，采用D/A 给定的方法输出，电路原理图如图所示。显示器采用点阵为128×64的液晶，将设定的电压值、测量的电压值和电流值等信息分别显示出来。

三：测试方法与数据

1、测试方法：