基于推挽式高频变压器的开关电源

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摘要：本设计采用TI公司的超低功耗处理器MSP430F169单片机为控制核心，采用TL494产生PWM控制信号，DC-DC采用推挽式变换方式，输出的高频PWM波通过高频变压器变压输出，经过整流滤波输出稳压直流电，并采用硬件反馈方式反馈到TL494误差放大器自动调节输出PWM波占空比稳定输出电压，单片机采集输出电压、电流用12864LCD显示，可键盘控制电源开断并可设置输出电压大小，输出电压从30V-36V可调，输出电流在2.5A以下输出电压稳定，有过流保护及自恢复功能，保证输出电流低于2.5A。

关键词：MSP430F169单片机推挽式变换 TL494 PWM

目录

一方案论证与比较 (3)

1.1控制核心选取方案比较： (3)

1.2DC-DC升压方案比较： (4)

1.3稳压方案比较： (4)

二理论分析与计算 (5)

2.1PWM占空比计算 (5)

2.2高频变压器设计参数计算 (5)

2.3提高效率的方法 (5)

2.4输出滤波器参数的计算 (5)

2.5采样滤波算法 (6)

三硬件电路设计 (6)

3.1AC-DC电路 (6)

3.2DC-DC变换电路 (6)

3.3滤波电路 (7)

3.4电压电流采样 (8)

四软件设计 (8)

五测试方案与结果 (9)

5.1测试框图 (9)

5.2DC-DC效率测试 (9)

5.3输出噪声纹波电压 (9)

5.4电压调整率 (10)

5.5负载调整率 (10)

六结束语 (10)

七参考文献 (10)

附录 (10)

一方案论证与比较

开关稳压电源主要完成数控调节、DC-DC变换环节和稳压环节，数控调节采用TI公司超低功耗处理器MSP430F169单片机进行控制，DC-DC变换又分升压和降压变换，本系统要求升压变换，并且电流达到2A能够稳压，达到2.5A实现过流保护，根据这一系列要求有以下可选方案。

1.1控制核心选取方案比较：

方案一：采用51或者AVR单片机，其功耗较高，并不自带AD、DA或者自带AD、DA精度不高，采集数据不便，设置输出电压不便。

方案二：采用TI推出的超低功耗处理器MSP430F169单片机，其自带12位高精度AD、DA，外围电路简单，便于采集输出电压和设置输出电压。因此本系统采用MSP430F169作为控制核心。

1.2 DC-DC升压方案比较：

方案一：采用BOOST升压电路升压，通过调节PWM占空比调节输出电压，实现升压并可调压，但是BOOST电路的输人电流连续，输出电流断续，输出存在着较大的纹波，开关噪声大缺点，不易达到题目要求。

方案二：采用推挽式变换，推挽式开关电源两个控制开关轮流交替工作，开关管驱动控制简单，输出波形非常对称，在整个周期内都向负载提供功率输出，因此，输出电流瞬态响应速度很高，电压输出特性很好，是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源。高频变压器升压，电压可调范围广，空载损耗较小，效率较高，所占体积较小。因此本设计采用了方案二。

1.3稳压方案比较：

方案一：采用单片机AD采样，获取输出电压、电流，通过程序算法调节PWM 波占空比实现稳压，硬件简单、成本较低，但是在反馈调节时采集输出电压比较复杂，程序算法也相对复杂，反应速度相对硬件反馈较慢，不够精准，并且还要单独做过流保护电路。

方案二：采用硬件产生PWM驱动信号，选用TL494芯片产生占空比可调PWM波，用硬件方式反馈到TL494误差放大器，形成一个稳定的闭环控制系统，实现PWM 占空比自动调节功能，并可以采集输出电流反馈到TL494另外一个误差放大器，实现过流保护，单片机只需通过DA给出一个参考电压，即可输出比较稳定的电压，减轻程序负担，硬件也比较简单，硬件方式反馈速度更快、精度更高。因此本系统采用了方案二。

根据本系统选取的各模块方案，整体系统原理如图1-1：

图1系统总体框图

二 理论分析与计算

2.1 PWM 占空比计算

根据题目要求，输出电压范围：30V-36V 可调，输入电压变化范围15V-21V ，设定变压器原副线圈匝数比为n 即电压比为n ，则最小占空比为30min 21

n D =

，最大占空比为

36max 15

n D =

，TL494最大占空比为90%为防止调节失控90%

max D <。

2.2 高频变压器设计参数计算

本系统采用EI35磁芯，开关频率为50KHZ,输入电压选取最低电压为15V ，输出电压选取最高电压36V 计算，根据推导公式UT UD S N B A f

e φ==

????计算出高频变压器的线圈匝数比为3:11,根据 公式

2()2

d I j π=计算漆包线直径，其中d 为

漆包线直径，j 为电流密度，在此为提高变压器安全性能取j=3A/mm ，输入电流约7A ，输出电流低于2.5A ，因此输入线圈采用直径1.0mm 三线并绕方式，输出线圈采用直径1.0mm 单线绕制。

2.3 提高效率的方法

1）使用合适的MOS 管和驱动电路，比如选取IRFZ44S 低电压、大电流、小内阻的高性能MOS 管和自带误差放大的TL494；

2）使用较适合的开关频率，因为功率管开关和磁性材料的磁通变化会带来损耗，使用可以满足ＤＣ-ＤＣ升压变换的最佳的ＰＷＭ频率，如该系统设计为40～100KHz ，可以降低开关管、高频变压器和滤波电感的损耗，另外使用高频损耗较低的磁性材料做滤波电感，如铁硅铝磁芯的电感，也可以降低系统的损耗。

3）尽可能降低变压器损耗，变压器的损耗包含铜损和铁损，采用多线并绕的方法减小肌肤效应，包扎适当多的绝缘胶，减小线圈之间的干扰，采用灌封胶灌封，提高高频变压器的频率。

4）减小开PWM 控制信号纹波以减小在开关管上的损耗，在开关管控制端加电容吸收纹波。

2.4 输出滤波器参数的计算

本系统有两次滤波，前级滤波是把50HZ 交流输入电压整流后滤波，输出稳定的直流电压，前级滤波要求不是很高为降低成本采用简单的电容滤波即可。后级滤波的主要目的是滤除高频开关频率分量，本系统中开关频率为50KHz ，要求输出稳定的直流量，为减小脉动系数提高稳定性，采用LC 滤波器滤波，LC 谐振频率为

f c ，为达到比较良好的性能，最好满足以下关系：10101f f f c s <<，

由于输出直流量，因此1f

趋近于零，而f s 最低约1KHZ 左右，因此f c 选100HZ 以下滤波效果较好，由此计算得

-7

LC=2.2 X 10，U O

L=.min t off I o ?，因此选L=840uH ，

C=220uF 。

2.5 采样滤波算法

输出电压采集通过电阻分压，然后经过LC 滤波把稳定的采集电压传送给单片

机，根据

f c ，其中

c

f 选1KHZ ，

-8

L C=2.535 X 10，

U O

L=

.min

t off

I o ?，因此

选L=100UH,C=22UF 。电流采样通过放大和LC 滤波（采用和电压采集滤波同样的算法）处理传给单片机，单片机用自带12位高精度AD 转换采集电压，用多通道多次采集模式连续采集电流、电压，单片机采集大批数据采用数字滤波算法计算出电压、电流值并显示。

三 硬件电路设计

3.1 AC-DC 电路

输入220V 交流通过隔离变压降压输出18V 交流，需要进行整流滤波输出直流电供给后级DC-DC 变换器，由于这一级杂波较少，采用简单的电容滤波即可，电路图如下图3-1所示：

图3-1 硬件系统框图

3.2 DC-DC 变换电路

DC-DC 变换是该系统的核心部分，电路包括参考电压的设置，PWM 信号的产生，开关管的驱动，滤波环节，反馈调节，过流保护。整体框图如下图3-2-1所示：

图3-2-1 DC-DC逆变驱动电路框图

本系统采用硬件产生PWM驱动信号，选用TL494芯片，该芯片外部接RC振荡控制输出PWM波的频率，用其一个误差放大器设置参考电压，另外一个误差放大器进行过流检测，单片机只需通过DA给出一个参考电压到一个误差放大器正端设置输出电压，用硬件方式反馈到TL494误差放大器负端，形成一个稳定的闭环控制系统，实现PWM占空比自动调节功能，从而稳定电压。采集输出电流反馈到TL494另外一个误差放大器负端，实现过流保护，当电流大于设置的过流阀值，电流将不会增加，电压减小，当输出电流减小会自动恢复。运用硬件方式实现DC-DC变换比较简单，硬件方式反馈速度很快、精度很高即可输出比较稳定的电压，减轻程序负担。DC-DC变换原理图如下图3-2-2所示：

图3-2-2 DC-DC逆变驱动电路

3.3滤波电路

本系统有两次滤波，前级滤波是把50HZ交流输入电压整流后滤波，输出稳定的直流电压，前级滤波要求不是很高为降低成本采用简单的电容滤波即可，如图3-3-1所示为前级滤波电路。后级滤波的主要目的是滤除高频开关频率分量，本系统中开关频率为50KHz，要求输出稳定的直流量，为减小脉动系数提高稳定性，采用LC滤波器滤波。后级滤波电路图如图3-3-2所示：

图3-3-1 前级滤波电路

图3-3-2 后级滤波电路

3.4 电压电流采样

在输出端用分压电阻法进行电压采样，再把采样的电压进行滤波处理送到单片机AD采样端口，在输出端串联一个很小的电阻进行电流采样，并将采样的信号进行放大滤波处理，传送到单片机的另外一个AD采样端口，单片机捕获到两个信号进行一定的数字滤波算法，计算出输出电压和电流并显示，电路图如图3-4所示：

图3-4 电压电流采样电路

四软件设计

软件主要负责数控设置参考电压及电压、电流检测并显示。

进入主程序后进行系统初始化，然后按键检测，如果没检测到按键那输出显示参数，如果检测到按键，根据按键设定通过DA输出相应参考电压，最后返回。其主程序流程图如图4-1所示：

图4-1 主程序流程图

中断程序主要负责电压和电流的采集，定时采集数据，动态分析数据传回主程序。中断服务程序流程图如图4-2所示：

图4-2 中断服务程序

五 测试方案与结果

5.1测试框图

根据题目要求本系统需要测试变压隔离后输入的交流电压，整流后的直流电压、电流，以及输出电压、电流。因此本系统测试框图如下图5-1所示：

图5-1 测试框图

5.2 DC-DC 效率测试

=

5.3

输出噪声纹波电压

用带宽为40MHz 模拟示波器（AC 耦合、扫描速度20ms/div ）测量UOPP 。 UOPP=______________

5.4 电压调整率

SU =_______________

5.5 负载调整率

SI =_______________

六结束语

经过多日的辛勤努力，我们实现了题目的部分要求，但在效率提高方面确做的不够，损耗功率较大。在硬件调试的过程中，我们遇到很多问题。由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方。本次竞赛锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。

七参考文献

[1] 童诗白等.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2000.

[2] 阎石主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 陈永真、宁武、蓝和慧等.新编全国大学生电子设计竞赛试题精解选.北京：电子工业出版社，2009.

[4] 王建校、张虹、金印彬等.电子系统设计与实践.北京：高等教育出版社，2008.

[5] 利尔达、沈建华、杨艳琴、翟骁曙等.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.北京：清华大学出版社，2009.

附录

主程序主要负责按键检测和显示程序结构简单，程序清单如下：

#include "msp430x16x.h"

#include "MyADC.h"

#include "MyDAC.h"

#include "My12864.h"

#include "KeyIn.h"

#include "KeyThing.h"

#include "CLKConfig.h"

void initMain()

{

// Stop watchdog timer to prevent time out reset

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

Initialize12864();

initADC12();

initDAC();

CLKConfig();

}

void main( void )

{

unsigned char key = 0;

unsigned char fg = 0;

initMain();

P2DIR = 0XFF;

P2OUT = 0XFF;

for(;;)

{

key = keyIn();

if(!(key-1))key0();

if(!(key-4))fg ^= 0xFF;

if(fg)

{

WriteString(0,4,"设置停止");

P2OUT &= ~BIT0;

}

else

{

WriteString(0,4,"设置启动");

P2OUT |= BIT0;

}

DataToString(2,result000[0]);

DataToString(3,result000[1]);

}

}