1、1开关稳压电源摘要：本设计应用隔离型回扫式 DC-DC 电源变换技术完成开关稳压电源的设计及制作。系统主要由整流滤波电路，DC-DC 变换电路，单片机显示与控制电路三部分组成。开关电源的集成控制由脉宽调制控制芯片 UC3843 及相关电路完成，利用单片机进行 D/A 转换，完成对输出电压的键盘设定和步进调整，同时由单片机 A/D 采集数据利用数码管显示出输出电压和电流。系统具有输出电压可调范围宽、噪声纹波电压低和 DC-DC 变换效率高等特点。此外，该系统还具有过流保护功能，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。 关键字：DC- DC，整流滤波，脉宽调制，A/D 采集，D/A 转换 Abs
2、tract：The stabilized voltage switching supply is designed and manufactured by DC-DC power transfer with isolation and feedback. The supply includes rectification and filtering circuit, DC-DC transfer unit, controller controlling circuit and liquid crystal display module. The swiching supply is contr
3、olled by pulse width modulation IC UC3843. The output voltage can be regulated step by step by a microcontroller, a key and a D/A converter. The output voltage and current of the switching supply are collected by a A/D converter and displayed in Nixie tubes. The switching supply have some advantage
4、such as wide output voltage, low noise ripple, high transfer efficiency. In addition, the swiching supply can realize current foldback.Keyword：DC-DC transfer, rectification and filtering, , microcontroller, A/D collecting data，D/A converting 一、 方案论证图 1 为开关电源系统的结构图，从图中可以看出，系统分为三个部分：电路电源、控制回路和显示设定部分。隔
5、离变压器整流滤波 1脉宽调制（ P W M ）功率推动电路 ( M O S F E T )过流保护光电隔离电压取样及调整 整流滤波 2单片机L C D键盘D / A 转换A / D 转换电流取样电流放大开关变压器电压取样直流输出- 2 5 . 4 V 2 2 0 V 1 8 V显 示 部 分控 制 回 路电 路 电 源图 1 开关电源系统结构图显示21. DC-DC 主回路拓扑结构主回路拓扑结构分为隔离式和非隔离式两种。非隔离式拓扑结构(图 2 所示)，只能获得低于输入电压的输出电压，而隔离式单端反激式拓朴结构(图 3 所示)的输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，确保
6、当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。其优点就是路电结构简单，适用于 200W 以下的电源且多路输出交调特性相对较好。故我们讯用隔离式的拓扑结构。TD C RL+_UoUi UbD1 D2D3C RTLN1 N2N3+ +_UoUiUb图 2 非隔离式拓扑结构 图 3 隔离式单端反激式拓朴结构 2. 控制方法及实现方案方案一：采用脉冲频率调制 PFM (Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输出电压的调整范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。方案二：采用脉冲宽度调
7、制 PWM (Pulse Wildth Modulation)的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比,控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。基于上述考虑及题目的具体要求，我们选用 PWM 调制方式。3提高效率的方法及实现方案针对于提高效率的问题，我们想出了两种方案。方案一：降低开关变压器次级的输出整流管 VD2 的损耗，进而提高变换效率。可以选择肖特基二极管，其正向传输损耗低，而且不存在快回复整流管的反向回复损耗。方案二：使震荡器频率与开关变压器的频率相匹配，可以提高效率。采用RC 震荡电路可以改变震荡频率，使之与开关变压器的频率相匹配，达到提高变换效率的目的。二
8、、电路设计与参数计算1. 主回路器件的选择及参数计算(1) 开关电源集成控制器相比于其他芯片，UC3843 外电路接线简单，所用元器件少，且性能优越，成本低，驱动电平非常适合于 MOS 场效应管。 (2) 推动功率管选择推动电路选择功率 MOSFET 场效应管，因为功率晶体管是电流驱动，场效应管是电压驱动，而且开关速度快，对温度不敏感。本设计需输出的最大功率为 90W 左右，同时输入电压为 18V 左右，故本设计采用 P60NF06 型 MOSFET场效应管。(3) 开关变压器的设计开关变压器是一种以隔离方式传输能量的电抗器，和功率 MOSFET 管串联3而成。电流临界连续时原边电感： ，其中
9、 Uimino 为变压器原soONTPULmin2ax1in1边输入的最小直流电压，T s 为开关周期，P 为输出功率， 为变换效率。开关变压器磁芯气隙为： ,B 为铁芯工作磁感应强度，820BSKCSC 为铁芯截面积，K 为最小输出功率与额定输出功率之比。原边绕组匝数为 CLN081原、副边绕组匝数比为 ,UD 为输出整流二极ONiUTn02maxn21管压降、U O2 为副边绕组， N2 为输出电压。同理可求得其他匝数比。磁芯型号 EE12初级电感量 1.54uH变压器气隙 .58变压器初级匝数 2.24变压器次级匝数 10.04晶体管耐压 39.94晶体管电流 52.122控制电路设计与
10、参数计算 控制部分由 UC3843 产生的 PWM 波控制 MOSFET 管的开关状态，由于MOSFET 管的开关状态使开关变压器的初级线圈产生交变电压，开关变压器的次级通过整流滤波电路输出所需的直流电压，同时通过 TL431 电压调整电路控制光耦回路，返回到 UC3843 的电压检测端，使之达到稳压。UC3843 的工作频率 KHzCRfT2.1701.72. 843效率的分析及参数计算(1) IO=2A，当 U2 从 15V 到 21V 时，电压调整率 。%02USO(2) U2=18V， IO 从 0A 到 2A 时，负载调整率 1U(3)DC-DC变换器效率 ,其中 , 。 INP0O
11、IINIP4保护电路设计与参数计算本设计具有两级保护功能：单片机软件控制保护和 UC3843 自带保护功能。(1)在电源输出端，单片机利用电流传感器对电流进行取样，经过 LM324放大器的放大作用后，被送入 AD 采集芯片 AD1543 中，转换成数字信号，单片机进行检测，当电流大于设定值时，单片机控制继电器断开负载，以保证电源的正常工作。4(2) UC3843 正常工作时，检测电阻 RS 峰值电压由内部误差放大器控制，满足 ,其中为 UC 为误差放大器的输出电压， IS 为检测电流。SCSRVUI34.1UC3843 的内部电流测定比较器反相输入端箝位为 1V，最大限制电流 IS=1V/ R
12、S 。在 RS 和 3 脚之间，用 R、C 组成一小的滤波器，用于抑制功率管开通时产生的电流尖峰，其时间常数近似等于电流尖峰持续时间。当动作电流超过 2.5A 时，电源能自动断开负载，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。5数字设定及显示电路的设计如图所示，单片机检测键盘，并把键值送给 DA 转换芯片 MAX504, 12 位的数字信号被转换成模拟信号，送到电压调整部分，进而设定输出电压。单片机实时利用 TLC1543 芯片进行 AD 采集，将采集到的电压信号转换成 12 位数字信号，并送到数码管进行显示。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RS
13、T9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20 P2.0(A8) 21P2.1(A9) 22P2.2(A10) 23P2.3(A11) 24P2.4(A12) 25P2.5(A13) 26P2.6(A14) 27P2.7(A15) 28PSEN 29ALE/PROG 30EA/VPP 31P0.7(AD7) 32P0.6(AD6) 33P0.5(AD5) 34P0.4(AD4) 35P0.3(AD3) 36P0.2(AD2) 3
14、7P0.1(AD1) 38P0.0(AD0) 39VCC 40AT89C51U112MHzY122PC122P C2+5VRSRWCS1CS2WRRD+ 10UC3+5V +5VCEBIPOFF 1DIN2CLR3SCLK4 CS5DOUT6DGND 7AGND 8REFIN 9REFOUT 10VSS 11VOUT 12VDD13RFB 14MAX504U210uFC10OUTDINSCLKCS504+5VS1S2S3S4CLKINCSP3.0A01 A12A23 A34A45 A56A67 A78A89 GND10 A9 11A10 12REF- 13REF+ 14CS 15DATA OU
15、T 16ADDRESS 17I/O CLK 18EOC 19VCC 20TLC1543U3 +5VCSSDATA1ADDRCCLKCCLKADDRDATA1CSSP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6IN2RES2R6RES2R7DIANOUTP3.4图7.软件部分设计单片机系统流程图如图所示。5系统初始化开始调用显示子程序调用采样子程序调用过流子程序步长减 1调用步长加 1 处理子程序调用步长减 1 处理子程序设定输出电压增加设定输出电压减小调用输出电压增加处理子程序步长加 1调用输出电压减小处理子程序YNYNYNYN图 系统流程图三、测试方法与数据1. 测试方法将各电路模
16、块连接起来，先输入 18VAC，用万用表的电压档测量输出电压的可调范围；再用电流档测试最大输出电流；使输出电流固定为 2A，调整 U2从 15V 到 21V，用万用表的电压档测量出 UO 变化范围；使 U2 固定为 18V，调整 IO 从 0A 到 2A，用万用表的电流档测量出 UO 变化范围；使U2=18V，U O=36V，I O=2A,利用示波器读出纹波的峰 峰值；使U2=18V，U O=36V，I O=2A，利用万用表的电压档测量出 UIN 再用电流档测量出 IIN 。2. 测试仪器MY-65 数字万用表DS 5062CA 示波器6负载电阻 RL=50双路可跟踪直流稳压电源3. 测试数据
17、四、 测试结果分析(1) 输出电压可调范围。整机的输出电压可调范围是 2537V,达到并超过了题目标准。(2) 最大输出电流。整机的输出电流最大达到 2.5A，达到并超过了题目要求。(3) 电压调整率。整机的电压调整率是 0.16%，达到了发挥要求。(4) 负载调整率。整机的负载调整率是 0.27%，达到了发挥要求。(5) 纹波电压，测量值是 205mV.(6) DC-DC 变换效率,整机效率是 70.2%，达到了基本要求，但里发挥要求有一定的距离，因为时间有限，没能来的及调整。实测数据 计算值 基本指标 发挥指标 说明Uo 可调范围 25V37V - 30V36V- 最大输出电流 2.5A - 2 A- 电压调整率 25.0125.02 0.16% 2% 0.2% %1052.0.负载调整率 24.9024.95 0.27% 5% 0.5% 89.4.Uopp(V) 205 mV - 1V - 变换效率 5.71A, 17.95V 70.2% 70% 85% %1095.7.236
