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開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開關電源在現代電子系統中的使用越來越普及。開關電源高頻化、模塊化和智能化是其發展方向。其中，步進可調、實時顯示是開關電源智能化研究方向之一。現設計開關電源，技術指標為：輸出電壓30V至36V可調，最大輸出電流2A，有過流保護功能，能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調整、步進值1V，并能實時顯示輸出電壓和電流的開關穩壓電源。 1 總體設計方案 采用AT89S52單片機為控制核心，對普通的開關電源控制部分進行優化設計，并通過軟件編程實現了對開關電源的智能控制。設計中采用隔離變壓器將市電變壓后通過整流濾波送至DC-DC升壓變換器，經過一系列的控制整合電路之后可實現設計要求。系統總體框圖如圖1.1所示。 1．1 DC-DC主回路拓撲 采用UC3842和MAX4080構成DC-DC轉換電路。UC3842是一塊功能齊全、較為典型的單端電流型PWM控制集成電路，內包含誤差放大器、電流檢測比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內部基準電源和欠壓鎖定等單元。電流控制型升壓DC-DC轉換電路，外接元器件少、控制靈活、成本低，輸出功率容易做到100W以上。當然，DC-DC轉換電路也可以采用成品模塊，若用PI公司生產的DPA-Switch設計開關電源具有集成度高、外圍電路簡單、發熱量少、性能指標優良。 由UC3842設計的DC-DC升壓電路直接用誤差信號控制電感峰值電流，間接地控制PWM脈沖寬度，達到控制輸出端電壓的目的。開關管以UC3842設定的頻率周期開閉，使電感L儲存能量并釋放能量。當開關管導通時，電感充電，把能量儲存在L中。當開關截止時，L產生反向感應電壓，通過二極管把儲存的電能釋放到輸出電容器中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少由通過電感電流的峰值來控制。具體設計電路如圖1.2所示。 1．2 保護電路 在大電流的情況下容易損壞芯片，所以需要對大電流的情況給予電路保護。設計中采用單片機控制繼電器的通斷來控制電路中的電流，對輸出電路電流采樣，采樣值與額定值比較，反饋比較電路如圖1．3所示，當電流大于2．5A時，則產生信號使單片機進入中斷處理程序，使繼電器起動，實現DC-DC電路的斷電，從而達到保護電路的作用。單片機控制電路如圖1．4所示。該方案中單片機控制繼電器的吸合時間短，而且易于實現。 1．3 數字設定及顯示電路 采用AT89S52單片機和集成芯片CD4051實現程控和步進，用單片機控制鍵盤實現輸出電壓的初始設定，可以實現電壓的步進1V，步減1V。使用液晶顯示輸出電壓和電流，可撥動轉換開關來選擇顯示電壓／電流模式。 1．4 程序設計 在設計好相關電路的基礎上，通過編程由單片機對開關電源進行智能控制。系統由單片機AT89S52控制，電源系統具有"＋‰"和"－"步進功能，步進幅度為1V。同時AT89S52結合繼電器等電路實現了電路過流保護功能，并且能實時顯示開關電源的輸出電壓和電流。程序總流程圖和中斷流程圖如圖1(5，6)所示。 2 提高效率 如何提高開關電源的效率顯得尤為重要。在提高開關電源的效率上采取了如下措施。 2．1 DC-DC轉換電路中電感在很大程度上影響系統的效率。市場上很難買到符合要求的電感，在繞制時對電感磁芯和漆包線的要求非常高，應將輸出電壓紋波降到最小。 2．2 DC-DC轉換電路中開關管采用MOS管取代雙極性晶體管，串聯柵極電阻將衰減由MOS輸入電容、柵一源電路引線電感所產生的高頻寄生振蕩。可有效提高轉換效率，若選用幾個MOS管IRF530并聯，可進一步提高效率。 2．3續流二極管選擇肖特基二極管，其開啟時間短、管壓降小，可使電感存儲能量大，有利于提高電源轉換效率。 2．4二極管、電感和MOS管的柵極最好盡可能地靠近焊接，這樣可以減少損耗，有利于提高系統的效率。 3 測試數據和分析 3．1 電壓調整率SU 電壓調整率SU指U2在指定范圍內變化時，輸出電壓U0的變化率。用自耦調壓器調節U2從15V到21V之間變化，在輸出電流為2A時候，測量出輸出電壓，從而得到電壓調整率SU。 3．2 負載調整率SI 負載調整率SI指I0在指定范圍內變化時，輸出電壓U0的變化率。改變負載電阻，使輸出電流在0～2A以內變化時，得到負載調整率數據如下。 3．3 DC-DC變換器效率 效率η=P0／PIN，其中P0=U0I0，PIN=UINIIN。用毫伏表在DC-DC模塊端口直接讀出輸入和輸出電壓電流各值，可得變換器效率。 3．4 紋波電流 在開關電源設計中，MOS管源極接上1kΩ的電阻，電源濾波處加無極性電容，濾除高頻紋波。電流紋波實測數據如下。 基于AT89S52的開關穩壓電源具有良好智能控制和步進功能，測試數據表明電源系統具有較高的電壓調整率和負載調整率，并具有很高的效率，電源在最大輸出功率下能連續安全工作足夠長的時間。當然可通過對MOS管及相關元器件選擇、電路優化設計，或選擇DC-DC成品模塊可進一步提高電源性能。 |
