2007年开关稳压电源设计报告！！！

一、前段时间就搞这个去了！

二、项目背景

     21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。

开关电源最早起源于上世纪50年代初，美国宇航局以小型化、轻量化、为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。

20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。

历经几十年的不断发展，现代开关电源技术有了重大的进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

在这样的背景下，本作品针对开关电源展开了研究与制作。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三、主要研究内容

     

在电阻负载条件下，使电源能实现以下功能：

电源输出电压Uo在30-36V范围内可调（能实现稳压功能），并且能用单片机实现步进，步进值为1V。同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。输出噪声纹波电压峰-峰值U_OPP≤1V（U₂=18V,U_O=36V,I_O=2A）；电源的最大输出电流为3A；

   当U₂从15V变到21V时，电压调整率S_U≤0.2%（I_O=2A）；当I_O从0变到2A时，负载调整率S_I≤0.5%（U₂=18V）；输出噪声纹波电压峰-峰值U_OPP≤1V（U₂=18V,U_O=36V,I_O=2A）DC-DC变换器的效率在95%以上；电源还具有过流保护功能，动作电流I_O（th）=3±0.2A；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；

 

 

 

 

 

 

四、总体思路与研究方案

４.１ 总体思路

 

本系统采用ＳＴＭ３２Ｆ１０４通过键盘控制电压的步进，经过单片机控制D/A提供一个参考电压，与输出电压的反馈分压进行比较，在TL494内部的电压误差放大器产生一个高或低电平，控制脉宽变化，来达到调整输出电压的变化，反复调整后使输出达到设定得值为止。参考电压输出后电压的反馈调节是由TL494自动调节的，调节速度快。通过IR2104控制两个ＭＯＳ管的导通和截止，结合ＤＣ－ＤＣ变换器实现ＢＯＯＳＴ，步进电压为1V，输出电压范围为30V到36V，输出电流为0-３A。可显示预置电压，实测电压，实测电流，实测效率。该系统主要由单片机，PWM信号控制芯片TL494，IR2104驱动电路，开关电源升压主回路，A/D以及D/A组成。采样康铜丝上的电压间接推算出电流并显示。本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等优点。

 

 

 

４.２实施方案

    ４.２.1主电路方案论证

方案一：采用传统的BOOST升压电路，即拓扑结构包含续流二极管防止电容放电，这样的结构能够实现升压但续流二极管的功耗太大，DC-DC变换器效率太低，不符合生产生活要求。

方案二：采用同步整流技术，即用MOS管代替续流二极管，这样通过控制两个MOS的开关来实现升压，采用MOS管驱动芯片实现两个MOS的导通和截止。采用同步整流方法提高DC-DC变换器效率。

综合以上方案应该采用方案二。

　　４.２.2  控制方法的方案选择

方案一：采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。

方案二：采用恒频脉宽调制控制器TL494，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1--300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。

鉴于上面分析，选用方案二。

 

　　４.２.3测控电路方案论证

本系统涉及电压采样和电流采样，电压采样采用电阻分压后接电压跟随器隔离的方案，在此不多叙述，重点讲述电流采样采取的方案。

　　　４.2.３(1)电流测量采集电路方案论证

 方案一：采用霍尔传感器CSM005A,霍尔电流传感器是一种先进的电检测元件，它可以隔离主回路和电子控制电路。测量交流，但其体积大，重量大，需要正负电源供电，增加系统负担。

    方案二：电流采样采用INA283电流检测放大器。INA283增益为200V/V，在检测传输电流时，选择合适的取样电阻选实现2V/A采样。再经过分压电阻，单片机采样为1V/A；其具有电压增益稳定，检测电压范围宽，价廉且精度较高等优点。电压采样采用传统的电阻分压电路，分压后经过电压跟随器采集回单片机。

      考虑到精度及集成度，故选择方案二。

 

 

 

五、主要研究结果

５.系统的参数测量

５.1测试仪器

YB4360（60MHz）示波器；DT930F+4位半数字万用表；

34401A六位半数字万用表;  自藕调压器(0~250V)。

５.2 指标测试

５.2.1输出电压范围测试结果如表1：

表1 输出电压范围测试

预置电压（V)

30

31

32

33

34

35

36

输出电压（V)

30.011

31.018

32.020

33.021

34.025

35.030

36.035

５.2.2电压调整率测试结果如表2：

                   表2 电压调整率测试

测试条件为输出电压36.052V，输出电流为2.00A

U2 /V

输出电压(V)

U2(V)

输出电压(V)

U3/V

输出电压(V)

14.96

35.981

16.01

35.986

17.04

35.990

18.05

35.995

19．04

35.998

20.01

36.003

21.01

36.005

22.02

36.006

 

 

电压调整率为：(36.006-35.981)/35.995*100%=0.069%。

以上数据输出电压用六位半表测得，输出电流用四位半表测得

     4.2.3负载调整率测试结果如表3：

                表3  负载调整率测试

输出电流（A）

2.00

1.53

0.00

输出电压（V)

35.995

36.001

35.959

负载调整率： （36.009-35.959）/36.009*100%=0.13%。

4.2.4 噪声及纹波测试：（U2=18V，Uo=36V，Io=2A，示波器AC耦合，扫描速度20ms/div） Vopp<= 290mV

4.2.5 效率测试：

4.2.6 过流保护：过流保护动作电流为３.０５A

4.3  系统对题目的完成情况：

表4   系统对题目的完成情况对照表

 

 

基本部分

 

要求

实现

输出电压范围30V—36V

输出电压范围为28V—36V

最大输出电流2A

符合要求

电压调整率Su<2%

电压调整率为0.069%

负载调整率

负载调整率0.13%

输出噪声纹波电压峰峰值

Vopp<= 290mV

变换器的效率

88.5%

过流保护的动作电流

2.51A

发挥部分

电压调整率0.2%

电压调整率为0.069%

负载调整率0.5%

负载调整率0.13%

变换器的效率

９５％

过流后能否自动恢复

能

键盘设置步进1V

达到指标

4.4 结果分析：

    各项结果都符合系统指标，产生误差的原因包括：两个不同地之间的干扰等。

 

　　　

 

 

 

 

 

 

六、存在的问题及今后努力方向

　　经过辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的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。