2015全国电子设计大赛 开关电源类指导

Page 25
系统整体结构
LOGO
整流滤波
升压电路
电压电流 取样电路
DA
AD
控制器显示和按键
Page 26
各部分电路
整流滤波采用以下电路：
LOGO
保险丝必须使用，本题8A保险丝足够。滤波电容用的是大的电解电容， 注意耐压值至少是滤波后电压的2倍，正负极性不要弄反。整流桥建议 使用成品模块，也可以使用二极管搭建（注意二极管的耐压值和电流限 制）。
电源一般有哪些指标？
答：直流电源：输出功率，效率，精度，交流纹波，负载调整率，电压调整率。
交流电源：输出功率，效率，精度，总谐波失真，频率稳定性，幅值稳定性。
电源难不难？
答：相比于仪器和控制，电源重在实践，但是不轻于理论。要敢于尝试，创 新。要有自己的想法和积累的经验。
Page 10
题目分析
Page 17
BOOST电路分析
LOGO
经典开关电源控制芯片UC3842是硬件反馈很常用的器件，以下是 UC3842在BOOST电路中的应用：
Page 18
BOOST电路分析
LOGO
软件反馈则是指单片机或者FPGA用AD采集BOOST电路输出电压然 后与设定电压相比较来改变开关PWM占空比，继而调节输出。软件 反馈相比于硬件反馈更显灵活，是后期常用的方式，硬件反馈是基础， 软件反馈是升华。
Page 3
题目 2．发挥部分
LOGO
进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）； 进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）； 进一步提高效率，使≥85% （U2=18V,UO=36V,IO=2A）
排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；
能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值 1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示 功能。 其他。
Page 12
题目分析
LOGO
单管反激式：
半桥电路：
Page 13
BOOST拓扑分析
LOGO
开关导通电感电流和电感两端电压满足这样的关系：
开关关断电感电流和电感两端电压满足这样的关系：
dI (t ) Vin dt L dI (t ) Vin Vo dt L
Page 14
BOOST拓扑分析
下面是学长的布局实例：
Page 31
布局布线
BOOST主电 路 UIN UC3842电 路 辅助电源
Page 32
LOGO
电压电流采样
AD / DA 单片机接口
UOU T
布局布线
LOGO
UOUT
UIN
电压电流 采样
UC3842 辅助电源
AD/DA
Page 33
谢谢
细心，大胆，努力，成功
LOGO
要求:
① ② ③ 输出电压UO可调范围：30V～36V； 最大输出电流IOmax：2A； 保护功能
开关稳压电源
I IN IO U IN
隔离 U1= 220V AC 变压器
U2=18VAC
整流 滤波
DC-DC 变换器
UO
RL

U2=15~21V
UIN=(1.2)U2=18-26V
升压电路
升压1.15~2倍
Page 5
题目
LOGO
⑤ 电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的 时间（测试期间，不能出现过热等故障）。 ⑥ 制作时应考虑方便测试，合理设置测试点. ⑦ 设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原 理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路 原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给 出。
开关电源就题论题
基于07年开关电源题目分析
题目
LOGO
一、任务 设计并制作如图1所示的开关稳压电源。
开关稳压电源
I IN IO U IN
隔离 U1= 220V AC 变压器
U2=18VAC
整流 滤波
DC-DC 变换器
UO
RL
Page 2
题目
LOGO
二、要求 在电阻负载条件下，使电源满足下述要求： 1．基本要求 输出电压UO可调范围：30V～36V； 最大输出电流IOmax：2A； U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%(IO=2A) IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%(U2=18V) 输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V （U2=18V,UO=36V,IO=2A）； DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； 具有过流保护功能，动作电流IO=2.5±0.2A
Page 11
题目分析
LOGO
系统方案设计时最简单的方案才是最稳定的，我们不计成本，用最 好的芯片力求换取最简单的方案。 比如我们在测量本题的30至36V输出电压时，简单的分压跟随测量 进入AD的电压是3至3.5V左右，与AD的满量程相差甚远，因此有 人考虑采用线性运算电路，将30至36V转换到0至5V测量，这样甚 好，但是电路相对就复杂了，我们可以用更准确的AD（如 ADS1118）来测量，问题迎刃而解。 所以本题我们不考虑什么反激电路，半桥电路等，我们就用最简单 的BOOST电路：
Page 27
各部分电路
BOOST主电路采用UC3843为PWM控制器的电路，如下：
LOGO
Page 28
各部分电路
电压电流采样电路如下： (不要忘记去耦电容）
LOGO
Page 29
各部分电路
辅助电源电路如下：
LOGO
Page 30
布局布线
LOGO
在对电源系统焊接之前，我们必须要清楚的知道哪些地方过大电流，哪些地 方是小电流。很显然，BOOST主电路是大电流必经之地。 这两图中显示BOOST主电路有两个电流环，对这个电路的布局要领是让这 两个环所包围的圈尽量小。
Page 6
评分标准
LOGO
Page 7
评分标准
LOGO
Page 8
评分标准
LOGO
Page 9
题目分析
何为电源？
LOGO
答： 1.电源是功率系统，是其它系统最基本的输入，有电力系统的地方就有电源。 2.按照其它系统的要求，电源可以分为一下几大类：线性电源，开关（DC-DC)电源， 逆变（DC-AC）电源，“顺”变（AC-DC）电源。这些当中开关电源和逆变电源是难 点，也是常考点。
AD采 样
Page 19
BOOST参wk.baidu.com设计——电感
LOGO
前面介绍了BOOST电路基本组成和控制策略，下面将要介绍BOOST 电路内部具体参数的设计，首先是电感的设计。 设计电感的前提是要知道流过电感的最大电流平均值，就是在满载的 情况下，这里不加证明的给出电感电流公式（精通开关电源设计P38 页）： Io
Page 23
BOOST参数设计——电感
LOGO
上表横坐标是安匝（电流乘匝数），纵坐标是AL，随着安匝数的上升， AL下降，也就意味着电感值在下降，本题中IL=Io/(1-D)=6A。匝数之前 算过为24匝，安匝=144。查看上表AL下降略低于80%，因为设计有裕 量（题目要求2A，我们以3A计算的），所以本设计没有太大问题。 磁芯圈数都设计好了，最后一步是漆包线线径的确定，我们提供一个原则， 一般导线截面积单位cm^2上流过的电流为400A，本题IL=6A，可得导 线截面积为0.015cm^2，实验室直径0.8mm的铜线截面积为 0.005cm^2，所以三股（两根勉强也可以）一并绕制。
Page 22
BOOST参数设计——电感
LOGO
选定磁芯后电感圈数如何确定呢，进入美磁官网，找到77254A7的PDF文 档，打开看到 AL=168。电感L=AL*N^2。计算出圈数N=24。 是不是这样就完成了电感的设计呢？不是，之前我们说过电感感值会随着 电流增大而变小，我们要求设计出来的电感在最大电流时其值下降不低于 电流为0时的80%。看PDF文档最下面有个图表：
整个周期电感电流波形是这样的：
LOGO
Page 15
BOOST拓扑分析
LOGO
以上是BOOST电路工作的两种状态，那么BOOST电路输出与输入有什 么关系呢，有很多方法可以推倒出来，我们不妨以电感为对象，由能量 守恒可知电感在开关导通时充的能量与开关关断时释放的能量相等。 设开关导通时间为Ton，关断时间为Toff，IL为整个工作周期电感的平均 电流。 开关导通时电感积累的能量为 Pin=Uin*IL*Ton。 开关关断时电感释放的能量为Pout=（Uo-Uin）*IL*Toff。 由于Pin=Pout可得:
Ton Vo Vin Ton Toff Vo
上式左边便是开关PWM占空比D。 需要注意的是这个结果是电感电流始终不为零推倒的，实际上在不加负 载时电感上的电流不是连续的，但是仍然可以借助于能量守恒来分析， 请同学们自己看书。
Page 16
BOOST拓扑分析
LOGO
在上述分析中我们得到BOOST拓扑在电感电流连续的情况下输入输 出电压与开关占空比的关系：
设开关导通时间为Ton，则： Ton 从而可以得出电感：
Uin * Ton Uin * D * (1 D) L (0.3 ~ 0.5) * IL (0.3 ~ 0.5) * f * Io
对于本题Uin（min)=18V，Uo（max）=36V，Io=2.5A，我们以3A 计算，f取50KHz，从而可以算出电感值为100uH。
Page 4
题目
LOGO
三、说明
DC-DC变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电 源控制芯片。
U2可通过交流调压器改变U1来调整。DC-DC变换器 （含控制电路）只能由UIN端口供电，不得另加辅助 电源。 本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非 直流成分，要求用带宽不小于20MHz模拟示波器 （AC耦合、扫描速度20ms/div）测量UOPP。 本题中电压调整率SU指U2在指定范围内变化时，输出 电压UO的变化率；负载调整率SI指IO在指定范围内变 化时，输出电压UO的变化率；DC-DC变换器效率 =PO/ PIN，其中PO＝UOIO，PIN＝UINIIN。
绕线要整齐,否则会影响性能。
Page 24
BOOST参数设计——其他器件
LOGO
对于续流二极管，要注意流过最大电流限制和反向承受电压限制，满 足这两个基本条件下我们希望二极管反向恢复速度越快越好，本题中 二极管的电流就是输出电流Io=3A，反向最大电压是36V，所以采用 两个SR360（3A，60V）并联使用。 对于滤波电容，我们采用大的电解电容和瓷片电容混合滤波，电解电 容滤低频，瓷片电容滤高频。 对于开关管，选用开关速度快的MOSFET场效应管，要注意它的耐压 值足够大和导通电阻尽量小，本题IRF540N是比较好的选择。 电流取样电阻的选取不能只看功率够不够，而是要满足精度的问题， 当电路工作时，电阻难免发热，阻值会发生变化，这样测量的电流就 不准了，而康铜丝电阻不仅功率大，温漂也相当小，因此我们选取它 作为电流采样电阻。
Page 21
BOOST参数设计——电感
LOGO
仅仅算出电感值不够，我们还要确定用什么样的磁芯和多少线径的铜线绕 制，在这之前，我们要简单说说电感的一个重要特性——磁饱和。 具体定义大家百度一下，用最直接的解释就是电感感值随着流过电感电流 的变大而变小，甚至完全消失，电感成为了一根导线，引发短路！ 我们带着这个特性来尝试设计它。 首先我们要知道有哪些常用的磁芯： 从大到小：77191A7 77254A7 77930A7 分别常用于80~200W，20~80W， 20W以下。本题要求输出36V，2A， 最大功率72W，所以尝试使用 77254A7。
IL
其中Io是输出电流，D是开关管最大占空比。之前说过电感电流波形 是这样的：
1 D
Page 20
BOOST参数设计——电感
我们建立这样一个原则：I
LOGO
(0.3 ~ 0.5) * IL
D ,f为开关频率。 f Uin 导通时电感电流上升斜率为： Ki L Uin * Ton 那么： I Ki * Ton (0.3 ~ 0.5) * IL L
Vo Vin D Vo
那么是不是我们给定了一个占空比，就能得到一个稳定的输出了 吗，答案是不可能的，其一输入电压Vin在不断变化，其二负载的 变化也会让电感电流进入不连续工作状态，因此我们需要反馈， 当输出电压小于期望值时我们将开关占空比增加，同理，大于时 减小占空比。 反馈的方式有两种，一种是最常用的硬件反馈，一种是软件反馈。 我们先来讨论硬件反馈。