新型数控开关稳压电源设计

目录

1 绪论 ................................................................................................................................................. 1

1.1开关稳压电源工作原理 ............................................................................................................ 1 1.2 开关稳压电源的特点 ............................................................................................................... 1 2 开关稳压电源的设计......................................................................................................................... 2 3 开关电源电路的硬件电路设计方案.................................................................................................... 2

3.1采用PWM 控制 ...................................................................................................................... 2

3.2 选取拓扑结构方案 .................................................................................................................. 2 3.3 单片机控制UC3842开关电源模块的结构设计 ......................................................................... 2 3.4 单片机作用下的开关电源电路设计 .......................................................................................... 3 3.5 重要元器件的参数计算 ........................................................................................................... 3 4 开关电源的软件设计......................................................................................................................... 4

4.1 开关电源的软件 ...................................................................................................................... 4 4.2 软件误差计算与削除误差 ........................................................................................................ 4 5 实验结果与结论................................................................................................................................ 5

5.1 实验结果 ................................................................................................................................ 5 5 结束语.............................................................................................................................................. 5 参考文献： .......................................................................................................................................... 5

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新型数控开关稳压电源设计

摘要：根据当前高频开关电源的现状和进展，采用现今应用广泛的PWM控制来满足DC-DC变换的要求，研制出一台BOOST型拓扑方式的DC-DC开关电源实验样机。针对高频率下开关电源产生的开关损耗，选择合适的方案和设计缓冲电路、高频率下功率器件驱动，并在计中采用模块化的设计方法，通过理论估算、软件仿真、实验等环节进行数控开关稳压电源硬件电路的设计和制作。

关键词： 数控稳压电源 效率 纹波系数 脉冲宽度调制

1 绪论

目前，开关电源以小型、高效率的突出优点而被广泛地应用于各种电气设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。由于开关电源通常工作在几十甚至几百千赫范围内，省略了50HZ的主工频变压器，因此体积小，重量轻。开关电源处于电源技术的核心地位，近十年来有了突飞猛进的发展，而直流开关电源是各种电源中应用范围最广和市场最大的一种，包括AC/DC和DC/DC。直流开关电源经过几十年的发展，集中了许多高新技术，包括新型功率半导体器件、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术，已经形成了具有高工频率、高效率、高功率密度、高可靠性等特征的现代直流开关电源。在电子产品设计中，经常会出现一定范围的稳压输出，且输出功率又较大的情况。 1.1开关稳压电源工作原理

开关稳压电源是将不稳定的直流电压变成交变的电压，又将交变电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，开关稳压电源电压电路中的调整管主要工作在饱和导通和截至两种状态。其按控制方式分为脉宽式和调频式两种，目前使用绝大多数为脉宽调制式。

开关稳压电源主要是由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成, 如图1所示。

输入电路浪涌印制整流变换电路开关器件变压器输出电路[2]

滤波整流滤波功率因素校正基极驱动保护电路基准电源振荡器V/F转换比较放大基准电源控制电路

图1 开关电路的基本结构框图

输入电路是线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路组成。把输入电网的交流电源转化为符合要求的开关电源的直流输入电源。变换电路是开关稳压电源的关键部分，包含开关电路、变压器，主要完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。其中开关电路有驱动方式、变换电路、功率器件、调节方式（PWM、PFM、PWM／PFM混合型）。输出电路是整流、滤波组成的，把输出的电压整流成脉动直流且平滑成低纹波的直流电压。控制电路是从输出端取样与设置的标准进行比较，再去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到稳定的输出值。另外, 根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。 1.2 开关稳压电源的特点

开关稳压器是通过开关动作，使连续的直流电变成间断供电的脉冲，再通过储能滤波元件，将不连续的脉冲变成连续的直流电。只要控制开关的时间比即可改变输电电压，再通过输出电压的变化控制开关动作时间，即可使输出电压稳定。开关稳压电源特点：体积小、重量轻； 功率小、效率高调压器工作于开关方式, 因此效率极高一般效率可以做到80%以上；稳压范围宽, 电网电压从140V到260V均可正常工作，线性调整率高；电路形式灵活多样，有自激式和它傲式,PWM 型和PFM型, 单端式和双端式等。电路复杂维修困难对电路的

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污染严孟, 电源噪声大不适合用于低噪声电路由于调压特件工作于开关方式因此DV/DT很大, 容易产生较强的传导发射以及辐射发射。

2 开关稳压电源的设计

设计一台数控开关稳压电源，要求输入交流电压后18V；输出电压范围为30～36 V；输出电流达2A；稳压效率高达80%；具有过流保护等功能。根据当前高频开关电源的现状和进展，在电源研制过程中，采用模块化的设计方法，通过理论估算、软件仿真、实验等环节进行了设计和制作。在设计中，采用目前应用广泛的脉冲宽度调制（PWM）控制来满足DC-DC变换的要求，为达到电源数字化，显示实时电压值和使用按键步进输出电压值，采用了单片机控制UC3842开关电源模块的方法来实现。开关稳压电源框图如图2 所示。

I1N220V ACI0隔离变压器U2=18V AC整流滤波+U1N-DC-DC变换器+U0-Rf

如图2 开关稳压电源框图

3 开关电源电路的硬件电路设计方案 3.1采用PWM 控制

PWM是指将输出信号的通断周期固定不变，改变导通时间来控制输出功率。开关电源一般都采用PWM技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。 3.2 选取拓扑结构方案

在设计变换器前，必须首先选择电路拓扑。因为其它所有电路元件的设计，像元件选择、磁芯设计、闭环补偿等都取决于拓扑。所以在设计开始之前，首先必须仔细研究所要开发的电源的要求和技术规范：输入、输出电压，输出功率，输出纹波，电磁兼容要求等，以保证选择适当的拓扑。从预定的电源的参数要求中可以看出：电源的输入电压低，输入电压小于输出电压，可以不隔离，显然BOOST电路符合我们的要求。因此可以将BOOST电路作为我们设计的拓扑。

3.3 单片机控制UC3842开关电源模块的结构设计

开关稳压电源在长期工作中，分立元件（电阻、电容等）容易受温度等因素的影响而使自身参数发生改变，继而使输出电压漂移，偏离设定的电压值，用单片机系统构成的外部反馈正好可以弥补电压漂移这一缺点[3]。图3是单片机控制UC3842开关电源模块的原理框图：AT单片机通过AT89S51模数转换芯片接收UC3842开关电源的输出信号，通过单片机内部计算后得出的电压误差结果再通过DAC0832数模转换芯片转换成模拟电压反馈到UC3842开关电源模块的Feedback 端进输出电压的调整，重复整个过程至此电压稳定在预定的输出结果上，最终输出电压结果通过单片机控制液晶显示器（LCD）显示出来。

读取电源输出电压开关电源输出P0口ADCOUTP0口AT89S51DAC控制开关电源输出电压FeedbackUC3842是否过流INT0P1.0口过流信号输出继电器接口通断继电器信号（控制开关电源工作） 图3 单片机控制UC3842开关电源模块的原理框图

在电压的调整过程中，当出现输出电流过大时，过流信号传至单片机的INT0中断口，由单片机调用中断程序，通过P3.6口控制稳压电源中的继电器工作，起到过流保护稳压电源的作用。

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3.4 单片机作用下的开关电源电路设计

在基于单片机控制UC3842的开关电源设计中，单片机能控制UC3842开关电源模块的输出电压，是因为单片机控制输出，间接控制芯片UC3842反馈端的电阻网络。由开关电源输出端取样电阻取得取样电后送往ADC0809模数转换，再由单片机P0口接收数据并进行计算处理，然后复用P0口经DAC0832数模转换后输出到UC3842开关电源模块反馈端，UC3842通过调整PWM输出，从而实现最终的稳定电压输出。单片机控制部分电路结构图如图4所示。

在单片机控制部分中，主要由ADC0809进行数据转换，经过单片机处理后数据显示在LCD上，再经过DAC0832数模转换，调整输出电压，直到电压稳定在预定值上。单片机P2.7和P2.6用于循环检测按键输入，如有按键输入，则经处理后送LCD显示，用于设置稳压数据。中断口INT0口检测电源输出过流信号，过流时则由P3.6输出控制继电器断开，防止负载过大而损坏电源。

ADC0832D1.0~D1.7VrefDACoutDnLED显示RETP1口P0口8EXP1.8IN0ADCinputRSPSTASTALECLKATC0809继电器控制过流检测P1.6INT0AT89S51KEY1KEY2

图4 单片机控制部分电路结构图

3.5 重要元器件的参数计算

单片机参与控制的BOOST开关电源电路图如图5所示。由图5所设计的电源输出Vout结合UC3842S DATASHEEF in Application Noet中的计算手册如下式：

Vout?(2.5R1?Vdac?2.5Rdac)?R2?2.5 （1）

outR2DACoutR_dacFeedBackR1UC3842芯片

图5 单片机参与控制的BOOST开关电源电路图

显然，当DAC输出Vdac变化时，Vout随之改变电压。在稳态工作下，流过R1的电流恒为2.5/R1。同时DAC输出Vdac电压范围为0～5 V。设开关电源的电压调整范围为28～38 V，则电压变化幅Dout=38-28=10V。

所以R2与Rdac 的比值满足：

R2Rdac??Uout5?2 （2）

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即：R2?2?Rdac，设在没有DAC输出Vdac电压的作用下，Vout=33 V，则

Vout2.5?R2?R1R1 (3)

即：R2?12.2?R1，令Rdac=8k Ω，由上述式（1）、（2）得：R1=1.3kΩ、R2=16kΩ。

综上述：当Rdac=8kΩ、R1=1.3KΩ、R2=16kΩ，DAC输出Vdac电压范围为0～5 V时，开关稳压电源的输出电压在28ｖ～38ｖ范围内可调。且DAC输出每上升电压△U，将引起开关电源输出电压下降2△U。DAC08032为8-bit 的数-模转换器，DAC输出电压分辨率△U＝5/255≈0.019 6 V，所以开关电源输出最小调节量为2△U＝0.039 2 V。

4 开关电源的软件设计 4.1 开关电源的软件

开关电源的软件部分包括：主程序、中断子程序、LCD显示和按键子程序、ADC0809转换子程序和DAC0832 转换子程序。主程序完成系统的初始化，并同时包括调用中断子程序、显示和按键子程序等各子程序共同完成开关电源控制和信号处理，同时具有按键输入设置和输出电压显示功能。主程序流程图如图5 所示。 在主程序中，开始先断开继电器=1，进行一些必要的AD和LCD程序初始化，然后闭合继电器，接通输出电路，最后在AD端口上读入数据并把经过误差矫正后的数据显示在LCD上。其余程序由主程序进行跳转或是进行中断调用。

开始继电器=1.延时100ms初始化AD和LCD闭合继电器=0读取AD，数据转换后显示在LCD上计算误差读取key_值Key_sub=0,设定值减一Key_add=1,设定值加一图５ 开关电源主程序流程图

4.2 软件误差计算与削除误差

当单片机检测到开关电源输出电压与设定的电压存在误差时，为了削除误差，我们可以引用PID控制理论

[4]

，PI 算法的比例项能较好地削除瞬态干扰所引起的误差，积分项用于削除系统进入稳态后存在稳态误差， 由于差分运算可能受干扰的影响而使系统的稳压性下降，因此我们用PI算法来实现削除误差。由PI控制原理可知：

?????U?ap?exp(t)?ai??exp(t) （4）

n?N?1?U?ap?exp(n)?ai?n?N(n) （5）

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数字序列运算表达式为：

exp(n)?Vout?Vset （6）

Vset-->单片机设定的电压。

式中△U-->输出改变量， ap-->比例系数，ai-->积分系数，exp（n）为第n次采集的误差项。由于单片机内的存量有限，不能进行无限个误差序列的积分，所以我们用前8个误差序列的累加代替积分项。在本系统中设定ai=1/8。由于单片机较快地执行算法，我们用二进制数右移实现了乘除法计算。

5 实验结果与结论 5.1 实验结果

本课题制作一台BOOST型拓扑方式的DC-DC开关电源实验样机，同时对实验结果进行测试，结果如下：

测试条件：交流18 V输入输出电压30～36V。

测试1：示波器扫描速度2 μs，50 mV/div，Vset=36 V，RL=180 Ω，纹波系数ε≈1×50=50 mV。 测试2：示波器扫描速度2 μs，50 mV/div，Vset =36 V，RL =45.3Ω，纹波系数ε≈1.3 ×50 =65mV。 测试3：示波器扫描速度0.5 ms，100 mV/div，Vset =36 V，RL =19.2Ω，纹波系数ε≈1 ×100 =100mV=0.1V。转换效率：

??Uou?Iout2?Uin?Iin?36?1.892?18?3.36?79.5% （6）

[5]

5 结束语

电子设备离不开电源，电源是电子设备的重要组成部分，电源的质量直接影响开关电子设备工作的可靠性。本文以boost 开关稳压电源为例，阐述了开关电源设计所应注意的问题，对分析结果进行验证。系统的开关变换器的工作原理使用的是PWM（即脉宽调制法），这种方式中，电子开关按外加的控制脉冲信号而通断，与本身流过的电流、二端所加的电压无关，称为硬开关。硬开关工作方式由于在开通和关断的过程中，开关上同时存在电压、电流，损耗比较大。为了克服这种损耗，可以用软开关来代替上述的硬开关，软开关是使开关在两端电压为零或电流为零的情况下开通或截止，损耗理想值为零。但是目前软开关技术的稳定性和ASIC芯片有待研究，所以，利用这种技术的零电压开通（ZVS）和零电流关断（ZCS）己经成为研究的热门。

参考文献：

[1] 李雅轩，杨秀美，李艳萍．电力电子技术[M]．北京：中国电力出版社．2007，

[2] 钱照明，袁义生．开关电源EMC设计研究现状及发展[J]．电子产品世界．2003（4）：51-54 [3] 王小双．AT89S51单片机控制的开关电源[J]．通讯电源技术．2004（4）：31-33 [4] 陶永华．新型PID 控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社， 2002

[5] 何跃，林春梅．PID 控制系统的参数选择研究及应用[J]．计算机工程与设计．2006（8）：1496-1498

[6]王永平，史俊杰，田庆安．开关稳压电源-原理，设计及实用电路（修订版）[M]．西安电子科技大学出版社．2006

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