直流稳压电源设计论文

电子竞赛论文

题目：升压直流开关稳压电源

学院：空军工程大学航空航天工程学院学生姓名：朱振国张艳冬张园强

指导教师：王家祥

完成时间：2014.6.7

一、 设 计 指 标

1、 基本要求

（1） 输出电压偏差：6||||240mV O O Orv U U U ∆=∆-≤; （2） 最大输出电流：max 2O I A ≥;

（3） 输出噪声纹波电压峰—峰：180OPP U mV ≤ （IN INrv U U =，O Orv U U =，max O O I I =）； （4） O I 从满载（max O I ）变到轻载（0.2⨯max O I ）时，负载稳定度（负载调整率）： rv |U /U 1|100%10%=i IN IN S U U =-⨯≤轻载满载（）

； （5） IN U 变化到5.1V 和6.6V ，电压稳定度（源电压调整率）:

{}6.666 5.16max |U U |,|U U |/U 100%2%V O V O V O V O V O V S =--⨯≤ (6max R U /L O V O I =);

（6） 60%η≥（IN INrv U U =，O Orv U U =，max O O I I =）； （7） 作品重量：0.5W kg ≤。

2、发挥部分

（1）增加电源输出电压、电流、功率测量指示功能；

（2）max 2O I A ≥时，增加过流保护，动作电流 2.20.1Oth I A =±； （3）进一步减小输出噪声纹波电压峰—峰值：100OPP V mV ≤； （4）进一步提高负载稳定度，使6%i S ≤； （5）进一步提高电压稳定度，使0.5%v S ≤; （6）进一步提高效率，使80%η≥; （7）进一步减少重量，使0.3W kg ≤; （8）其他;

二、设计过程

摘要

本系统以TI公司的升压控制器TPS40210DGQ芯片，选择了Boost升压变换电路实现6V DC-9V DC变换，电路结构简单，转换效率高；选用小导通电阻、高开关速度的CSD18534KCS 管为开关管，选用快速恢复二极管整流，减少反向导通时间，降低损耗。

通过实验验证电路实现了设计要求的基本指标，但电路设计还有很多不足，各项设计指标还有待进一步提高。

1、方案比较，设计与论证

1.1 控制方案比较

方案一：采用简单的Boost电路，进行升压变换。以电压反馈稳定输出。 Boost电路结构简单，由开关管、二极管、电感、电解电容等元件组成，便于进行电路设计，稳压性能优，并且转换效率高。该方法实现简单，但电压调整率及负载调整率难以保证，且纹波较大。原理图如图2所示。

方案二：采用正激或反激开关电源，该方法电压调节范围较广，但负载调整率难以保证，且电路结构复杂。

方案三：在BOOST拓扑结构基础上采用TPS40210DGQ芯片控制开关管，容易实现大功率输出的DC/DC升压电路。该方法实施较为容易，且可有效提高电压调整率及负载调整率。

综上所述，考虑到题目中对调整率及效率的要求以及电路的可实现性，决定采用方案三。

2、理论分析

2.1 BOOST电路分析

BOOST升压式电路理论上具有较高的效率，本系统在BOOST升压式电路的基础上采用以下措施来提高效率：

（1）用MOSFET替换三极管作开关器件，利用MOSFET的开关速度高来减少开关损耗。

（2）用绕线电感替代BOOST电路中的储能电感，通过减小漏感减小由漏感而产生的损耗。（3）BOOST电路中的整流二极管采用肖特基二极管，利用其正向压降小来降低二极管上的损耗。

（4）电流模式的电流采样过程采用电流互感器，来减小检测电阻上通过的电流，进而降低检测电阻上的损耗。

2.2降低纹波的方法

对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种：

（1）加大电感和输出电容滤波

根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

同样，输出纹波与输出电容的关系：Vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。

同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以boost型为例)，并联电容来提供电流。

上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。

（2）二级滤波，就是再加一级LC滤波器

LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。

采样点选在LC滤波器之前，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。

采样点选在LC滤波器之后，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。

（3）开关电源输出之后，接LDO滤波

这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB 曲线，对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。

（4）在二极管上并电容C或RC

二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C 或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100 Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

2.3 DC-DC变化的方法

DC-DC变换器是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路，这种技术被广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。这里我们采用BOOST升压式电路。

2.4稳压控制的方法

有PWM方式的，还有PFM方式的，前者是脉宽调制方式，后者是频率调制方式。

2.5.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0.7V的导通电压降。在输出电压为9V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0.2V～0.3V，因此使用这类二极管这能够有效降低其上的功率损耗。

（2）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。

（3）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。2.6 数字地和模拟地的处理

数字地和模拟地采用单点接地方式，以隔离模拟地和数字地的干扰，最后在电源部分采用0Ω电阻连接。如图所示。