1、開關穩(wěn)壓電源的設計與制作,2007國賽：設計并制作如下圖所示的開關穩(wěn)壓電源。,二、要求 在電阻負載條件下，使電源滿足下述要求： 1基本要求：輸出電壓UO可調范圍：30V36V； 最大輸出電流IOmax：2A； U2從15V變到21V時，電壓調整率SU2%（IO=2A）； IO從0變到2A時，負載調整率SI5%（U2=18V）； 輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； DC-DC變換器的效率70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； 具有過流保護功能，動作電流IO（th）=2.50.2A；,2發(fā)揮部分 進一步提高電壓調整率，使SU0.2%（IO=

2、2A）；進一步提高負載調整率，使SI0.5%（U2=18V）； 進一步提高效率，使85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)； 能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調整，步進值1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。,簡介 由于線性調節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，存在諸多缺點，如體積大，很難小型化、損耗大、效率低、輸出與輸入之間有公共端，不易實現(xiàn)隔離，只能降壓，不能升壓，很難在輸出大于5A的場合應用。 因此開關電源得到廣泛利用，凡采用半導體功率開關器件作為開關管，通過對開關管的高頻開通與關斷控制，將一種電能形態(tài)轉換成另一種電能形態(tài)的裝置，叫做開關轉換器

3、。以開關轉換器為主要組成部分，用閉環(huán)自動控制來穩(wěn)定輸出電壓，并在電路中加入保護環(huán)節(jié)的電源，叫做開關電源。開關電源組要組成部分是DC-DC功率變換器，因為它是轉換的核心。 高頻開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。分類多，應用廣。開關電源參數(shù)有額定輸出電壓、額定輸出電流、輸出電壓的穩(wěn)定范圍，輸出電流的變化范圍和輸出電壓的紋波。開關電源應具有輸出過壓、欠壓、過流和過熱保護功能，還應具有較高的電能轉換效率、低的轉換損耗、低的噪聲、好的電磁兼容和絕緣性等。,DC/DC升壓電路有很多，Buck電路，Boost電路，Cuk電路 隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、

4、推挽電路 推挽式升壓原理： 根據(jù)變壓器得變壓比：變壓器兩組線圈圈數(shù)分別為N1和N2，N1為初級，N2為次級，在初級線圈上加一交流電壓，在次級線圈兩端就會產(chǎn)生感應電動勢，當N2N1時，其感應電動勢要比初級所加得電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器；當N2N1時，為降壓變壓器。,這種電路結構特點是：對稱性結構，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，輪流通斷。 優(yōu)點：高頻變壓器磁芯利用率高、輸出功率大、驅動電路簡單.,器件的選擇： 控制芯片：KA3525 ,SG3525 ,TL494 開關管： IRF640 IFR540 系列 MOS 場效應管 IRF640,18A,200V Rds

5、 (on) =0.180歐 所以不會擊穿同時導通損耗也比較小。 可自查資料準備,我們使用臺灣KA3525 PWM調變IC來作此推挽式轉換的控制IC，此IC具有振蕩器，利用改變RT與CT之值，就可以設定PWM的切換頻率；此外尚有兩組PWM輸出、軟啟動及完全截止的功能，因此在電路設計上可大大降低硬件電路。KA3525采用電壓模式控制方法。占空比為0-100%，考慮到死區(qū)時間，最大占空比通常為90-95%。其采用分頻器，可以得到兩路互補的占空比分別為0-50%的PWM信號，同樣，考慮到死區(qū)時間的存在，最大占空比通常為45%-47.5%。這樣的PWM信號試用于半橋、全橋、推挽等雙端電路的控制。,KA3

6、525內部結構,引腳功能. 軟啟動：由于次級通常有大濾波電容,所以開關電源在啟動時不以額定功率啟動,否則相當于短路.只能小電流充滿大濾波電容以后再正常工作.這就是軟啟動.KA3525自帶軟啟動功能，在第8腳處接5uF電容。（） 充電完成后再振蕩。,變壓器設計繞制,設定開關管工作頻率為50KHz，初級采用抽頭的形式根據(jù)法拉第定律,取原線圈為4匝+4匝。 設原邊最小輸入電壓為16V，副邊最大輸出電壓為42V，所以原副匝比2:6，副線圈為12匝。實際上由于繞制變壓器工藝的限制，我們的變壓器的原邊線圈是以繞滿一層為止，前提是匝數(shù)不小于4，副線圈的匝數(shù)按匝數(shù)比來繞制. 骨架的選擇應選用高頻變壓器骨架，目

7、前常使用的有金屬錳鋅鎂銅等， 繞制時應使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減少變壓器漏感，因為如果漏感過大，將會造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關管。因此在繞制高頻變壓器線圈時，應盡量使初、次級線圈之間的距離近些。 漆包線線徑的選擇，要使電流大，那么線徑要大，但過大會產(chǎn)生趨膚效應，使電流減小。所以可以多組并繞。 包膠帶,前級電路,設定與穩(wěn)壓 開環(huán)穩(wěn)壓 通過改變輸出PWM波的占空比，來調節(jié)輸出電壓的大小 在實際電路中，DA設定值接在誤差放大器的同相輸入端上，設定輸出電壓，輸出電壓的采樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端上實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減

8、小，這將導致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 緩沖電路 輸出電壓有較大尖峰，這是由于開關管的高頻開關造成的，尤其是關斷時，由于電路有寄生電感，瞬間電路的切斷會在電感兩端出現(xiàn)沖擊電壓，因此對開關管加緩沖電路，并上R、C改善關斷性能。 驅動問題（）,后級電路,輸出為全橋整流，四個整流二極管均并上R、C，因為當輸入停止的時候，會有反動電動勢 在輸出端接上加假負載,如圖R19和R20組成。因為負載開路時，輸入電感照常周期性地不斷儲能和釋放能量，而能量沒有被負載消耗，電容將持續(xù)升高即

9、多余的能量都存儲到電容極板間，很快導致電容擊穿。因此接上假負載，也就說，當檢測到電源處于空載轉態(tài)時，自動投入一個輕負載，這個負載電阻值較大，即能維持輸出電壓為給定值、本身功率損耗又較小。,過流保護電路,當電路輸出電流過大，或者負載短路時，將對負載造成傷害，因此過流保護是必須的。,我們把電流信號轉換成電壓信號放大后，經(jīng)電壓比較器比較。其中采樣電阻為康銅絲或大功率低阻值電阻，所采集的電流信號經(jīng)放大后，輸出比較器的同相輸入端，當負載過流時候，比較器輸出高電平 。Shutdown（引腳10）上的信號為高電平，PWM瑣存器將立即動作，禁止KA3525的輸出，對電路及負載起了保護作用，同時，軟啟動電容將開

10、始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程。,AD采樣電路： 可選TLC2543,它是一款12位11通道的AD轉換芯片。 在AD采樣的入端需要對待測電壓或電流濾波，則濾波電容不宜過大，否則會影響響應時間而造成測量滯后，照成調節(jié)不準。 可使用C8051,注意: 在每個模塊都能正常工作的情況下，整機連調的時候會出現(xiàn)“共地”問題，導致整機會有一個100Hz的工頻干擾。改進措施是系統(tǒng)地線不能出現(xiàn)環(huán)路，所有地線最好一點接地，包括單片機的數(shù)字地和模擬地。 2、在變壓器設計的時候，線圈匝數(shù)過多會出現(xiàn)銅損加大，雖然鐵損減小了，但是得不償失。 3、由于該電路的輸出結構

11、會使整流二極管要耐兩倍以上的變壓器輸出電壓，一般100V的肖特基二極管不能滿足整流要求，所以用上快恢二極管，這使得效率有所下降。,損耗分析,在總損耗中，MOSFET的導通損耗和變壓器的繞組損耗占很大比重。而它們都與流過電流的有效值的平方成正比，所以要想減少這部分損耗，就必須減小流過其的電流有效值，減小繞組和MOSFET的導通電阻。 在輸出功率相同的情況下，減少電感電流的峰值，由于每個開關周期電流的變化量減小，磁通變化量隨之減小，占總損耗比例較大的磁芯損耗也將減少。所以，降低每個開關周期電流峰值和有效值，將能顯著提高變換器的效率。 為了改善MOS管的開關損耗，一方面可以從驅動信號個PCB入手。使驅動信號上升沿和下降沿盡量陡，可以減少開通和關斷時的電壓電流重疊區(qū)，從而降低損耗。 由理論分