|
1、總體設計方案論證 開關電源由隔離變壓器、整流濾波和DC—DC變換網絡組成。設計的關鍵是DC～DC變換器，它包含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件和控制模塊，而控制模塊的設計又是DC～DC的核心，一般DC—DC變換的控制模塊使用PWM調制的專用芯片，如TL494，UC3842等。芯片內部集成了振蕩器(由外接電阻電容來決定頻率)，誤差比較器，PWM調制器等，有的甚至有保護電路和驅動電路。在此情況下用集成芯片外加少量的電路即可構成開關電源，穩定性能較好，控制簡單，芯片功耗幾乎可以忽略不計，且成本低。過流保護可以使用電流取樣電阻串接在負載上。當取樣的電流超過指定的范圍，立即切斷負載，或者降低輸出電壓，然后過一段時間再自動啟動，接上負載，由繼電器來控制負載的連通性。同時用A／D采樣，經過單片機處理后顯示當前輸出電流和電壓。還擴展了鍵盤來實現電壓步進和預置，設置蜂鳴器實現過流時報警。 2、單元電路模塊設計 開關穩壓電源系統框圖如圖1所示。 圖1 開關穩壓電源系統設計框圖 2.1 整流濾波電路設計 整流濾波電路如圖2，在開機瞬間，濾波電容等效為短路，可串接0．1Ω限流電阻保護整流橋。此設計最大輸出功率72瓦特，電網電壓低到15V輸入時(整流后可達到18V)，加上最不利效率為70％，則輸入端功率經計算為102W，整流濾波后輸出的電流約5.6A，取6A電流。用普通整流二極管不能滿足要求，故用承受電流較大的硅橋。為達到可以接受的紋波系數，濾波電容的容值需要較大。考慮到其它無用功耗，取P=102W，經計算C≈30000uF，這時候紋波系數低至2.5％，但電容體積太大，DC—DC變換級對紋波系數的要求可以降低，取10000uF，紋波約8％，可以滿足要求。大電容濾波還需并接瓷片電容，來抑制尖峰電壓。 圖2 整流電路 2.2 Boost升壓型開關電源拓撲結構 主回路拓撲結構選擇非隔離型中Boost型升壓斬波電路，如圖3。假設C和L足夠大，輸入輸出電壓，即為常數。據推理電感兩端的電壓值也為常數，記電感兩端的電壓值是VL，經過L的電流記為IL，電流變化正增量記為△i+，電流變化的負增量記為△i-。當開關閉合時，續流二極管關斷，此時電源向電感充電儲存能量，忽略開關管的壓降。則由電感電流不可以突變、法拉第電磁感應公式和基爾霍夫電壓定律推導出：增量電流△i+和時間△t成正比，呈線性上升趨勢，與電感成反比。當開關管T關斷時，續流二極管D導通，忽略續流二極管導通電壓，輸入端電源電壓與電感器L中自感電動勢正向疊加后，通過續流二極管D對負載R供電，同時對電容器C充電。同理推導出：負增量電流與電感值成反比，與關斷時間成正比。下降是從上個時間充電后的電流點開始線形下降的。當動態平衡后，△i+=-△i-，經過占空比計算公式推導后得：在設計中輸入15V～21V，整流濾波后可得約18V～25V的直流電壓，而設計要求輸出為30V～36V。那么當輸入是18V變換到36V時，升壓比最大，則占空比最大，記為α1，從25V變換到30V時，升壓最小，則占空比最小，記為α2，經過推算：α2=1／6，α1=1／2。 圖3 Boost結構 3、電路設計及參數選擇 此設計采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。其內部框圖如圖4，UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式，共有8個引腳，各腳功能如下：①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性；②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2．5V基準電壓進行比較，產生誤差電壓，而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測輸入端，當檢測電壓超過1V時停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態；④腳為定時端，內部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數決定，f=1.8／(RT×CT)；⑤腳為公共地端；⑥腳為推挽輸出端，內部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns驅動能力為±1A；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；⑧腳為5V基準電壓輸出端，有50mA的負載能力。輸入端接Rl再輸入到芯片電源端，由于UC3842啟動電壓需要16V，輸入經整流濾波后至少有18V左右，可保證正常啟動。串聯電阻Rl取100Ω或不用R1，直接接至18V電源也可正常工作。UC3842振蕩器可以工作高達500kHz，經過計算選擇較折中的頻率40kHz取Rt=10k，Ct=4．7nF，Rt接在振蕩端和參考電壓8腳處，4腳退耦電容C3取0.1uF。 圖4 UC3842內部框圖 過流保護以及電壓電流顯示 用單片機和ADC0832來采樣。采樣電阻Rss=0.1Ω，用溫度系數很小的繞線電阻，但不能直接采樣Rss兩端的電壓，因為運放不能輸入比電源電壓大的信號，所以要設計恒降壓電路，將Rss兩端的電壓同時減去一個常數，再進行差分放大，如圖5。恒壓源用TL431準確穩定在一個固定的電壓，設置兩個恒壓源壓降一致。由于運放采用12V單電源供電，所以將電壓降到6V以下才能工作；又因為輸出最大電壓為36V，設計的恒壓源壓降為19V，那么下面兩個電阻可用同樣阻值的精密可調來實現抽頭在中間位置，則U=36—19=8V進行l／2分壓得4V。當電流為2A時Rss上壓降為0．2V，則到差放上的電壓差為O．1V，放大15倍后再經恒壓源壓降，保證變化范圍在O～5V后送給0832采樣，同時通過0832的另外一個通道采樣得輸出電壓值。經過單片機計算電流電壓后判斷是否超過2．5A的電流，如果是，再利用繼電器斷開負載并用蜂鳴器報警，然后等待恢復。延時數秒后再次嘗試接通負載，這就實現了過流保護和恢復后自動啟動的功能。同時把采樣到的電流、電壓顯示在數碼管上。系統還設計了鍵盤設置電壓增減的功能，該芯片采用ZLG7290鍵盤顯示芯片可以簡化設計復雜度。 圖5 過流保護電路 4、測試結果和實現功能 5、結束語 開關電源是一種效率很高的電源變換電路，此系統利用軟件硬件相結合，力求線路簡單，又能滿足系統設計要求。通過對各單元電路的設計、制作與測試，收到了很好的穩壓效果，完成了設計要求的各項指標，具有一定的實際意義。 |
