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2007年全国大学生电子 设计竞赛设计报告
2007 National Undergraduate Electronic
Design Contest
代码： E甲1038 项目名称： 开关稳压电源 学校： 山东大学 队员名单： 侯进振
程炳琳 李大川
辅导教师： 姚福安
万 鹏
摘要：
该开关稳压电源主回路采用升压斩波电路(Boost Chopper)，将
18VAC整流
滤波所得的直流电压变换为30V～36VDC电压输出。整个系统包括隔离变压器、输入整流滤波电路、DC-DC变换器、MOSFET驱动电路、恒压源及恒流源负反馈电路、输出滤波电路、电压电流检测以及单片机控制等部分。恒压源模式能够稳定输出电压，并可实现输出电压置数设定和步进调整、输出电压电流实时检测和数显、电流值可设定过流保护及短路保护功能，同时具有恒流源模式可供选择。该DC-DC变换电源采用导通电阻非常小的MOSFET作为开关管，肖特基二极管作为续流管，有较高的直流利用率和效率，反馈控制采用PI调节，有较小的电压调整率和负载调整率。系统各项性能指标均满足或超过题目给出的要求。
关键词： DC-DC Booster PWM控制 分流器 恒压源 恒流源 一、方案论证：
1.1主回路拓扑结构
方案一 正激变换器：采用具有高频变压器隔离的正激变换电路可方便的实现升压，安全系数高,但高频变压器设计和制作较烦琐，输出电压的检测要求隔离采样，电路结构较复杂，变压器的漏磁和整流二极管的损耗都限制了变换器的效率。
方案二 升降压斩波电路：采用此拓扑结构，开关管所处的位置可以方便的进行过流和短路保护，电路结构也较为简单，但开关管需要带自举的驱动电路且为负电压输出，不方便检测和反馈。
方案三 升压斩波电路：此拓扑结构电路结构简单，开关管驱动简单，输出为正电压，选取合适的占空比控制能够以较高的效率进行升压，原理图见图1-1。但要使电流连续需要较高的开关频率和较大的电感，且短路保护需要借助其他开关器件切断主回路而不能只关断开关管。
综合上述论述，主回路应当简单有效而稳定，我们选择升压斩波电路作为DC-DC变换的主要拓扑结构。
LVDEVTCRL
图 1-1升压斩波电路
1.2 控制方法
方案一 脉冲频率调制(PFM)：脉冲频率调制(PFM)是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。调节范围很宽，但电路结构复杂,且容易造成较大的干扰。
方案二 脉冲宽度调制(PWM)：脉冲宽度调制(PWM)是将脉冲频率固定，对于
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单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。电路结构简单，有很多成熟的PWM芯片可供选择。
本设计采用TL494产生脉冲宽度调制信号，调整方便；且PWM方式频率固定，使高功率开关引起的杂音与时钟频率相同步，减小了对系统的干扰。故选用PWM方案。
1.3提高效率方法
1.3.1开关管选择
中小开关稳压电源中用到的开关管主要有双极型晶体管和MOSFET两种。双极型晶体管为流控双极型开关器件，导通压降和电阻较大，不利于提高开关稳压电源的效率。MOSFET为压控单极型开关器件，不存在二次击穿和少数载流子存储时间问题，有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度，在该电源中，对开关管耐压值要求不高，因此我们选择导通电阻和压降都非常小的MOSFET能有效的提高效率。 1.3.2续流二极管选择
快恢复二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大等优点，肖特基二极管有着比快恢复二极管更快的反向恢复时间，更低的正向导通压降和导通电阻，更大的正向大流。由于该电源的输出电压不高(30V-36V),选用肖特基二极管作为续流二极管。
1.3.3采样器件的选择
输出电流取样采用取样电阻，电路简单，调试方便，但电阻功耗较大，发热后检测精度降低。采用分流器，配合放大电路检测电流，功耗很小，所以本系统采用分流器构成恒流源反馈、电流数字显示、过流保护和短路保护。
二、电路设计与参数计算
2.1系统组成
整个系统分为主板和控制板。主板由输入整流滤波、DC-DC变换主回路、PWM调制驱动电路、电压电流取样、短路保护电路等组成；控制板由单片机、键盘显示等部分组成。系统框图如图2-1。
变 压 器220V 18V AC 整流滤波 DC-DC Boost 21V DC30~36V DCLCD显示单片机SPCE06A8键键盘 DA给定PWM调制驱动电路 DA给定过流设定自恢复电路电压/电流检测AD输入电阻负载图 2-1 系统框图
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占空比VrefIref2.2主回路设计
2.2.1拓扑结构与参数计算
主回路拓扑如图1-1所示。由储能电感L,开关管VT，单向导通二极管VD，储能电感C以及PWM控制器组成，当控制器输出脉冲高电平时，开关管VT导通，电感Ｌ储存能量。当当控制器输出低电平时，开关管VT截止，电感L感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD向负载供电，使输出电压大于输人电压。
开关频率选择上，开关频率f值选取的越高，电源的纹波越小，但f值选取的太高会降低电源的效率。在保证电源效率达到85%的同时，兼顾汶波<1V的要求，我们选择开关频率为100KHz。
2.2.2输入输出电压关系
dIVi? ，在ton期间，L中的电流当开关管导通时，电感电流满足关系式：
dtLVdIV?V增量为?I??iton，当开关管关断时，电感电流满足关系式：?oi，在器
LdtL件，L中的电流减量为?I??(Vo?Vi)toffL，在稳态时，电流增量应等于电流减量，
tT1，其中??on为占空比，?ViTT?ton1??有：?I?＝?I?，可得Vo?Viton?tofftoff?Vi由于占空比始终小于1，可使输出电压高于输入电压，实现升压。
由参考文献[3]知，当占空比?＝0．88时，电压增益取得最大值，如果设计的控制线路?＞0．88，输出电压不仅不增加，反而会下降，稳压性能变差。因此，在实际应用中，应使控制线路电压产生一个下垂特性，使所有升压变换器的最大占空比调节都在?＜0．88之内。本设计的输入交流电压范围为15V～21V,经整流滤波后的直流电压为18V～24V,输出电压范围为28V～40V,由输入输出电
11824?0.55，?min?1??0.14，压关系Vo?Vi，可求得?max?1?满足?＜0．88
1??4028的要求。
2.2.3元器件选择
储能电感的选择：电感电流包括直流平均值及纹波分量两部分，忽略电路的内部损耗，有Ii?IoVoT，其中Ii是流入电感的平均电流，而稳态下电感的?IoVitoff电流变化量应为0，故在ton期间与在选择?I?toff期间，电流的变化量应相等，为?I?Viton，LVitonVIVtV?V?1.4Ii，故电感为L?ion，将ton?oi及Ii?oo代入上式并LVi1.4IifVoVi2(Vo?Vi)化简得L?,取Vo =36V,Vi=21V,f =100KHz,Io=2A,计算得18uH。 21.4fVoIo
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