1、第 1 页 共 46 页开关稳压电源设计摘要传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器，滤波器的体积和重量也很大。于是它很难满足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。本设计采用TL494固定频率脉宽调制电路，控制功率开关管HUF75652G3，与铁氧体电感构成BOOST拓扑DCDC升压主回路。采用C8051单片机作为主控制器，利用AC-DC变换电路完成对输出电压、电流的检测并通过控制TL494固定频率脉宽调制电路完成对输出电压值的设定。输出电压的稳定则由软件反馈控制TL494固
2、定频率脉宽调制输出脉宽变化实现。系统采用12864点阵的LCD作为输出显示，操作灵活，界面友好。实现输出电压3036可调、过流保护、输出电流、输出电压和输出功率的显示等功能。关键字：TL494CN固定频率脉宽调制，BOOST拓扑，C8051，软件反馈第 2 页 共 46 页Switching power supply designAbstractTraditional transistors adjustment Power Supply series, is the control of linear regulators for power, the traditional power s
3、upply technology more mature. But their needs are usually big and bulky size of the frequency transformers, filter the size and weight are great. So it difficult to meet the requirements of the development of electronic equipment. Leading to a high efficiency, small size, light weight of the rapid d
4、evelopment of the power switch. This design uses TL494 fixed-frequency PWM circuit, control of power switches HUF75652G3, and a ferrite inductors BOOST topology DC-DC Boost main circuit. C8051 SCM used as a main controller, the use of AC-DC conversion circuits to complete the output voltage and curr
5、ent through the detection and control TL494 fixed-frequency PWM output voltage circuit to complete the set value. The stability of the output voltage from software feedback control TL494 fixed-frequency PWM output pulse to achieve change. System uses 128 64 dot-matrix LCD as the output, operational
6、flexibility, user-friendly. To achieve the output voltage adjustable 30 36 V, over-current protection, output current, output voltage and power output of the show, and other functions.KEYWORDS: TL494 fixed-frequency PWM, BOOST topology, C8051, software feedback第 3 页 共 46 页1 绪论1.1 引言21 世纪 ，是人类全面进入信息电
7、子化的时代。在这个信息技术(包括计算机技术，通信技术及传感器伎术)高度发展的时代，随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。开关电源是一种利用开关功率器件并通过功率变换技巧而制成的直流稳压电源。它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变革适应性强、输出电压保持时光长、有利于计算机信息保护等长处，因而普遍利用于以电子计算机为主导的各种终端装备、通讯装备，是当今电子信息产业飞速发展不可短缺的一种电源。开关电源又被称为高效能节能电源，内部电路工作在高频开关状况，自身消费
8、的能量很低，一般电源效力可达 80%左右，比普通线性稳压电源进步一倍 1。本设计是针对开关稳压电源的设计，即通过对外加芯片电路的调整、调试，使传统的稳压电源数字化，智能化，使其能以更高的精度，更快的速度输出更准确的结果，并适宜于同其他数字化设备连接，便于下载和调试。1.2 国内外开关电源技术现状及发展趋势1.2.1 开关稳压电源的特点开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达 70%95%。而功耗小，散热器也随之减小，同
9、时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为 220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从 110V260V 范围内变化时，都可获得稳定的输出电压 2。1.2.2 我国开关稳压电源技术现状第 4 页 共 46 页自六十年代起，第一台开关电源问世以来，开关电源在世界各国迅速发展，直流稳压电源也顺势而生，但在初期价格较高，
10、直到八十年代，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛。近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。 我国在此方面的起步较晚， 1973 年才开始这方面的研究工作，现在主要在小功率单端变换器方面发展较为迅速。在功率半导体器件及控制集成化方面，与国外同类产品有这很大的差距。因此，直流稳压电
11、源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距 3。1.2.3 近年来开关稳压电源地发展动向1955 年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957 年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产
12、业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用 R-C 或 L-C 缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对 1MHz 以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正
13、弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关 4。目前对第 5 页 共 46 页这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆 Hz 的变换器的实用化研究。1.3 开关稳压电源的发展开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM 开关电源问世，它的特点是用 2
14、0kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%70%，而线性电源的效率只有 3040。因此，用工作频率为 20 kHz 的PWM 开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为 20kHz 革命。 随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高
15、，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步 3。1.3.1 初始阶段的电源传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有 45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子
16、设备发展的要求 10。1.3.2 新型电源开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。电路由开关第 6 页 共 46 页K（实际电路中为三极管或者场效应管） ，续流二极管 D，储能电感 L，滤波电容 C等构成。当开关闭合时，电源通过开关 K、电感 L 给负载供电，并将部分电能储存在电感 L 以及电容 C 中。由于电感 L 的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感 L 的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用） ，将保持电路中的电流不变，即从
17、左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管 D 的正极，经过二极管 D，返回电感 L 的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即 PWM脉冲宽度调制） ，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的 7。1.4 本设计要研究或解决的问题在目前的工业现场中，开关电源大都采用传统的晶体管串联调整稳压电源，它是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点，但也存在很多问题：（1）其通常都需要体积大且笨重的工频变压器，滤波
18、器的体积和重量也很大。（2）调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右 。（3）由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。因此本文要实现以下三个目标：1、能实现电源的小型化，智能化，采用 C8051 单片机作为主控制器，利用AC-DC 变换电路完成对输出电压、电流的检测2、采用脉宽调制(PWM)技术，提高电源效率，它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65%70%，而线性电源的效率只有3040。 ；3
19、、采用 BOOST 型 DC-DC 升压方式，使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁。电压型推挽方式加正激变压器升压方式，虽然升压容易第 7 页 共 46 页实现，但控制不好会使两个开关管占空比不一致，造成单管发烫，影响效率；或死区时间达不到要求，有烧毁开关管的危险，且引入隔离变压器还会对系统及制作带来负担 13。1.5 论文章节分配第一章 绪论：回顾稳压电源的发展趋势，其中对传统的电源与新型开关稳压电源的区别做了详细的阐述，并对开关稳压电源的智能化发展进行了系统的说明。第二章 开关稳压电源的总体设计：介绍了开关稳压电源的基本技术指标，并对整个系统结构及各自的功能块做了总体的
20、介绍。第三章 数字部分的硬件实现：详细介绍开关稳压电源的硬件器件的选择设计，与计算。第四章 开关稳压电源的主程序流程图。第五章 开关稳压电源的测试与创新：对开关稳压电源的技术指标的测试方法做了详细的介绍。第六章 总结与展望：整篇论文的总结。第 8 页 共 46 页2 开关稳压电源的总体设计2.1 总体方案概述本设计采用TL494固定频率脉宽调制电路，控制功率开关管HUF75652G3，与铁氧体电感构成BOOST拓扑DCDC升压主回路。采用C8051单片机作为主控制器，利用AC-DC变换电路完成对输出电压、电流的检测并通过控制TL494固定频率脉宽调制电路完成对输出电压值的设定。输出电压的稳定则
21、由软件反馈控制TL494固定频率脉宽调制输出脉宽变化实现。系统采用12864点阵的LCD作为输出显示，操作灵活，界面友好。实现输出电压3036可调、过流保护、输出电流、输出电压和输出功率的显示等功能。2.2 DC-DC主回路拓扑开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类，DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题 12。DC/DC 变换 ：DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是
22、脉宽调制方式 Ts 不变，改变 ton(通用)，二是频率调制方式，ton 不变，改变 Ts（易产生干扰）。当今软开关技术使得 DC/DC 发生了质的飞跃，美国 VICOR 公司设计制造的多种ECI 软开关 DC/DC 变换器，其最大输出功率有 300W、600W、800W 等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（8090）。日本 NemicLambda 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块 RM 系列，其开关频率为（200300)kHz，功率密度已达到 27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET 代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到 90。 AC/DC
23、 变换 第 9 页 共 46 页AC/DC 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为 50/60Hz 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如 UL、CCEE 等）及 EMC 指令的限制（如 IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加 EMC 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制 AC/DC 电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决 EMC 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的
24、要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了 AC/DC 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度 6。 由题意，输出电压最小值为 30V，U in最大值为 212V，略小于 30V，能判断DC-DC 部分可做成升压模块。 方案一：采用电压型推挽方式加正激变压器方式升压。升压容易实现，但控制不好会使两个开关管占空比不一致，造成单管发烫，影响效率；或死区时间达不到要求，有烧毁开关管的危险，且引入隔离变压器还会对系统及制作带来负担。方案二：BOOST型DC-DC升压方式，如图1。使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较
25、为简洁，但在功率较高的情况下，电感设计要求较高，经验成分多，设计不好会造成过大的冲击电流，影响效率也容易使开关管损坏。第 10 页 共 46 页图1 BOOST升压方案选择：根据题目要求可知，最大功率约为为70W，属于中小功率范围，可以不采用隔离变压器，故折衷考虑，采用较为简洁的方案二。图2DC-DC升压原理图BOOST型DC-DC升压原理：如图2当开关S闭合时，电源通过开关S 、电感L 给负载供电，并将部分电能储存在电感L 以及电容C 中。由于电感L 的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L 的自感作用（可以比较形象的认为电感中
26、的电流有惯性作用） ，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D,返回电感L 的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM脉冲宽度调制 ） ，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感 。二极管D 在开关断开期间，负责给电感L 提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管 。 在实际的开关电源中，开关K 由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率UI 就会很小。这就是开关电源效率高的原因。2.3 控制方案
