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2007年E题 开关稳压电源设计方案
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2007年E题 开关稳压电源设计方案
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2007 年 E 题 开关稳压电源
本系统以 C8051F020 为核心,电压可预置,步进电压为 1V,输出电压范围
为 30V 到 36V,输出电流为 0-2A。可显示预置电压,实测电压,实测电流,实测
效率。该系统主要由最小单片机系统,PWM 信号控制芯
开关稳压电源
摘要
本系统以 C8051F020 为核心,电压可预置,步进电压为 1V,输出电压范围
为 30V 到 36V,输出电流为 0-2A。可显示预置电压,实测电压,实测电流,实
测效率。该系统主要由最小单片机系统,PWM 信号控制芯片 TL494,开关电源
升压主回路,A/D 以及 D/A 组成。系统通过键盘预置电压值送给 TL494 形成闭
环反馈回路,采样康铜丝上的电压间接推算出电流并显示。本系统具有调整速度
快,精度高,电压调整率低,负载调整率低,效率高,无需另加辅助电源板,输
出纹波小等优点。
关键词:C8051F020;TL494;开关电源;boost 电路。
ABSTRACT
For this system to C8051F020 core voltage can be preset, stepping
voltage of 1V output voltage range of 30V to 36V, output current is 0-2A.
That preset voltage can be measured voltage, current measurement, the
measured efficiency. The system mainly by the smallest SCM system, TL494
chip PWM control signal, the main boost switching power supply circuit,
A / D and D / A component. Through the keyboard preset voltage TL494 gave
a closed-loop feedback loop, sampling the voltage copper wire Kang
indirectly current and projected that. The system has adjusted speed, high
precision, low voltage adjustment, the adjusted rates low load, high
efficiency, no auxiliary power supply plus a plate, the advantages of
small output ripple.
Keywords: C8051F020; TL494; Switching Power Supply; Boost Circuit.
一、方案论证与比较
1.1 DC-DC 主回路拓扑的方案选择
DC-DC 变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全,但是由于
隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低,而本题没有要求输入输出隔离,
所以选择非隔离方式,具体有以下几种方案:
方案一:串联开关电路形式。开关管 V1 受占空比为 D 的 PWM 波的控制,交
替导通或截止,再经 L 和 C 滤波器在负载 R 上得到稳定直流输出电压 Uo。该电
路属于降压型电路,达不到题目要求的 30--36V 的输出电压。(见图 1)
图 1
图 2
图 3
方案二:并联开关电路形式。并联开关电路原理与串联开关电路类似,但
此电路为升压型电路,开关导通时电感储能,截止时电感能量输出。只要电感绕
制合理,能达到题目要求的 30--36V,且输出电压 Uo 呈现连续平滑的特性。(见
图 2)
方案三:串并联开关电路形式。实际上此电路是在串联开关电路后接入一个
并联开关电路。用电感的储能特性来实现升降压,电路控制复杂。(见图 3)
由于本题只需升压,故选择方案二。
1.2 控制方法的方案选择
方案一:采用单片机产生 PWM 波,控制开关的导通与截止。根据 A/D 后的反
馈电压程控改变占空比,使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样
经 A/D 后输入单片机,当该电压达到一定值时关闭开关管,形成过流保护。该方
案主要由软件实现,控制算法比较复杂,速度慢,输出电压稳定性不好,若想实
现自动恢复,实现起来比较复杂。
方案二:采用恒频脉宽调制控制器 TL494,这个芯片可推挽或单端输出,工
作频率为 1--300KHz,输出电压可达 40V,内有 5V 的电压基准,死区时间可以调
整,输出级的拉灌电流可达 200mA,驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器,
一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护,电压比较器可
设置为闭环控制,调整速度快。
鉴于上面分析,选用方案二。
1.3 电流工作模式的方案选择
方案一:电流连续模式。
电流连续工作状态,在下一周期到来时,电感中的电流还未减小到零,电容
的电流能够得倒及时的补充,输出电流的峰值较小,输出纹波电压小。
方案二:电流断续模式。断续模式下,电感能量释放完时,下一周期尚未到
来,电容能量得不到及时补充,二极管的峰值电流非常大,对开关管和二极管的
要求就非常高,二极管的损耗非常大,而且由于电流是断续的,输出电流交流成
分比较大,会增加输出电容上的损耗。由于对于相同功率的输出,断续工作模式
的峰值电流要高很多,而且输出直流电压的纹波也会增加,损耗大。
鉴于上面分析,本设计采用方案二。
1.4 提高效率的方案选择
影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗,单片机及外围电路供电电
路的效率和 DC—DC 变换器的效率。详细方案选择见附件 1。
二、详细软硬件分析
2.1 整体设计:
单片机通过键盘控制电压的步进,经过单片机控制 D/A 提供一个参考电压,
与输出电压的反馈分压进行比较,在 TL494 内部的电压误差放大器产生一个高或
低电平,控制脉宽变化,来达到调整输出电压的变化,反复调整后使输出达到设
定得值为止。参考电压输出后电压的反馈调节是由 TL494 自动调节的,调节速度
快。
由于本设计对效率的要求比较高,所以在设计时尽量选用低功耗的单片机,
而且单片机的外围电路要尽量少,本系统外围电路只有键盘,显示,和 4 个运放
(A/D 和 D/A 集成在 C8051F020 内部),这样可以尽可能的提高效率。框图见图
4。
2.2 理论分析与参数计算
2.2.1 主回路器件的选择及参数设计:
2.2.1.1 磁芯和线径选择。当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表
面流过,这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会
聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。线径的选择主要由本
系统的开关频率确定。开关频率越大,线径越小,但是所允许经过的电流越小,
并且开关损耗增大,效率降低。本系统采用的频率为 44K,查表得知在此频率下
的穿透深度为 0.3304mm,直径应为此深度的 2 倍,即为 0.6608mm。选择的 AWG 导
线规格为 21#,直径为 0.0785cm(含漆皮).磁芯选择铁镍钼磁芯,该磁芯具有
高的饱和磁通密度,在较大的磁化场下不易饱和,具有较高的导磁率、磁性能稳
定性好(温升低,耐大电流、噪声小),适用在开关电源上。
2.2.1.2 其他器件选择见附件 2。
2.2.2 控制电路设计与参数设计:
控制电路选用 TL494 来产生 PWM 波形,控制开关管的导通,Rt,Ct 选择为 102
和 24K,频率为
,为 44KHz。软启动电路由 14 脚和 4 脚接电阻和电容来实现,通过
充放电来实现。启动时间为
=
(
=10uF,R=1K)。13 号脚接地,采用单管输出,进
一步降芯片内部功耗。
2.2.3 效率的分析:
输出功率计算公式:
,输入功率计算公式:
。
由于题目要求 DC/DC 变换器(控制器)都只能由 Uin 端口供电,不能另加辅
助电源,所以单片机及一些外围电路消耗功耗要尽量的低。为此,在设计本系统
时单片机采用低功耗单片机 C8051F020,该系统集成了 8 路 12 位 A/D 和两路 12
位 D/A.减少了外加 A/D 和 D/A 的功耗。提高效率主要是要降低变换器的损耗,
变换器的损耗主要有 MOSFET 导通损耗, MOSFET 开关损耗 MOSFET 驱动损耗,二
极管的损耗、输出电容的损耗,和控制部分的损耗,这些损耗可以通过降低开关
频率等方法来降低。各级损耗的计算方法如下:1.导通损耗:
;2.开关损
耗:
;3.门级驱动损耗:
;4.二极管的损耗:
;5.输出电容的损耗:
2.2.4 保护电路设计与参数设计:
康铜电阻的大小选择:康铜丝主要起两个作用,过流保护和测试负载电流。
康铜丝接在整流输入地和负载地之间,越小越好,这样会使两个地之间的电压很
小。但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判,并且对于后级运放的要
求比较高,经过实验,选择 0.1 欧姆的电阻效果比较好。由于电阻太小,难以测
量,所以先测得 1 欧姆的电阻,然后截取其长度的十分之一。
TL494 片内有电流误差放大器。可用于过流保护。康铜电阻上的压降,与预
先调好的值进行比较.若电流过大,输出高电平,阻止 PWM 信号产生,开关管
处于关断状态,使输出电压降低,形成保护功能。一旦输出电压降低,导致输出
电流降低,检测电压降低,电流误差放大器就会输出低电平,重新产生 PWM 波
形,所以该电路具有自恢复功能。
2.2.5 数字设定及显示电路的设计:
由于在输出端采样时测得的反馈电压为输出电压的二十四分之一,即分压为
1.5V 时输出为 36V,分压为 1.25V 时输出为 30V,设计中采用了 12 位 D/A 转换
精度为 0.61mV(参考电压为 2.43V),直接输出给 TL494 提供参考电压。此外还
设置了三个 A/D 芯片,分别采集输出电压,输出电流,和输入电流。为了降低
功耗,设计中采用了 8 位数字显示的 LCD,SMS0801B 为共阴级,下降沿有效,
可显示采样得到的各个采样量。
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