开关稳压电源论文

开关稳压电源

摘要

本系统由AT89S51单片机、高精度串行AD、DA转换器以及升压式（Boost）DC-DC变换器等组成。DC-DC变换器采用了PFM+PWM双控制方式，在大的动态范围内可以保持较高的转换效率。本系统的最大特色是活用了MAX639这款芯片；MAX639本来用在低功耗、高效率降压式DC-DC变换的场合，在这里我们利用了它的脉宽频率调制和脉宽频率调制（PFM+PWM）控制功能，经过验证，采用PFM+PWM双控制方式的升压式（Boost）DC-DC变换器效率比采用PWM控制方式的升压式（Boost）DC-DC变换器的效率高出10％左右。本系统采用由一个电感、多个电容并联成LC滤波器滤波；这种滤波器ESR（等效串连电阻）低，滤波效果很好，把噪声纹波电压峰-峰值U OPP降低到1V以下。经过两天调试，本系统达到或者超过了基本部分以及发挥部分的全部要求。

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1、方案论证

1.1DC-DC主回路拓扑

题目要求DC-DC变换器具有升压功能，故只能采用升压式（Boost）DC-DC 变换器和正激变换器等。

1.1.1方案一：正激DC-DC变换器（如图1所示）。

如图1正激DC-DC变换器

这种模式的显著特点是输入回路和输出回路不共地，并且原线圈可以和多个副线圈耦合，实现多路输出。只要调整适当的原、副线圈的扎数比即可实现升压的目的。

1.1.2方案二：输入输出回路共地升压式（Boost）DC-DC变换器（如图2所示）。

如图2输入输出回路共地升压式（Boost）DC-DC变换器SW用一个大功率场效应管代替，这种方案只能实现一路输出。

综上所述，正激DC-DC变换器的优点比较多，但是很难手工制作正激DC-DC变换器所需的线圈，并且题目的要求只要有一路输出就可以满足。要达到发挥部分85％的效率需求，选择输入输出回路共地升压式（Boost）DC-DC变换器比较合适。

1.2控制方法及实现方案

1.2.1方案一：采用传统的PWM控制芯片进行闭环调节，原理图如图3所示。

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如图3 PWM控制芯片调节负反馈系统

PWM控制芯片中包含了误差放大器和PWM形成电路。电路工作在低频时负反馈电路是稳定，但在环路内，存在低电平噪音电压和含有丰富连续频谱的瞬态电压。这些分量通过输出L o,C o滤波器、误差放大器和U ea到U y的PWM调节器引起增益改变和相移。在谐波分量中的一个分量，增益和相移可能导致正反馈，而不再是负反馈。

1.2.2方案二：采用PWM+PFM双控制方式进行闭环调节。目前市场上很多低功耗、高效率的DC/DC转换器都是采用这种技术。MAX（美信）公司生产了一种PWM+PFM双控制方式的DC/DC转换器MAX639；这种转换器能够根据外部反馈电压的变化在一个引脚输出PWM+PFM的方波，用这种方波驱动场效应管，开关电源的效率会有很大提高。

比较以上两种方案，采用PWM+PFM双控制方式是最理想的。

1.3提高效率的提高效率的方法及实现方案

通过1.2中两种方案的比较可知，采用PWM+PFM双控制方式是提高效率的最佳方法。

起初我们想自己设计电路实现PWM+PFM双控制方式，但是后来发现PFM（频率调制）方式容易产生谐波干扰，而且设计一个能达到效果的滤波器很困难。所以，用MAX639产生的PWM+PFM方波是提高开关电源效率的最佳方法。

1.4系统总体框图以及系统程序流程图

经过以上三点的方案论证，得出系统总体框图（如图4所示）以及系统程序流程图（如图5所示）。

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如图4系统总体框图

2、电路设计与参数计算

2.1主回路器件的选择及参数计算

根据题目要求，最大电流为2.5A左右，故选择导通电阻小功率大的场效应

管IRF540。由前面方案论证可知，选择MAX639驱动场效应管。AD、DA转换器均为16位串行高精度型。输入电压Vin和输出电压V0有如下关系：V0=Vin/(1-D )；D为PWM+PFM方波的占空比

2.2控制电路设计与参数计算

2.2.1设定电压部分

通过单片机控制16位DA，改变MAX639接收到电压反馈值来控制PWM+PFM 方波的占空比，最终实现控制电压的目的

2.2.2报警部分

当AD采样的电压或者电流大于设定值时，单片机使蜂鸣器发出声音报警，

警戒值可以通过键盘设定。

2.3效率的分析及计算

电源供应器的输入功率之定义为以下之公式：

True Power = Pav(watt) = V1 Ai dt = Vrms x Arms x Power Factor 即为对一周期内其输入电压与电流乘积之积分值，需注意的是Watt≠VrmsArms而是Watt=VrmsArmsxP.F.，其中P.F.为功率因素(Power Factor)，通常电源供应器的功率因素在0.6～0.7左右，而大功率之电源供应器具备功率因

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素校正器者，其功率因素通常大于0.95，当输入电流波形与电压波形完全相同时，功率因素为1，并依其不相同之程度，其功率因素为1～0之间。

电源供应器的效率之定义为：

ΣVout x lout / True Power (watts)

即为输出直流功率之总和与输入功率之比值。电源的效率和功率因素有很大关系

2.4保护电路设计与参数计算

保护电路由AD采样电路以及一个继电器构成，当电流或者电压超过警戒

的时候，单片机控制继电器断开。

2.5数字设定及显示电路的设计

数字设定通过行列式4×4矩阵键盘设定。为了节省功耗，采用不带背光的1602液晶显示电源、电压值等参数。

3、测试方法与数据

3.1测试仪器

能提供可变电压能力的电源；5位以上高精度数字表；可变负载；20MHZ模拟示波器

3.2测试方法

3.2.1电压调整率S U测试方法

于待测电源供应器以正常输入电压及负载状况下热机稳定后，分别于低输入电压(Min)，正常输入电压(Normal)，及高输入电压(Max)下测量并记录其输出电压值。电源调整率通常以一正常之固定负载(Nominal Load)下，由输入电压变化所造成其输出电压偏差率(deviation)的百分比，如下列公式所示：

V0(max)-V0(min) / V0(normal)

3.2.2负载调整S I率测试方法

于待测电源供应器以正常输入电压及负载状况下热机稳定后，测量正常负载下之输出电压值，再分别于轻载(Min)、重载(Max)负载下，测量并记录其输出电压值(分别为Vmax与Vmin)，负载调整率通常以正常之固定输入电压下，由负载电流变化所造成其输出电压偏差率的百分比，如下列公式所示：

V0(max)-V0(min) / V0(normal)

3.2.3输出电压U O可调范围测试方法

用矩阵键盘发送数据给DA转换器，调整反馈到MAX639 VFB引脚的电压，控制驱动场效应管电压的频率和占空比，用高精度数字表即可测出输出电压U O可调范围。

3.2.4测试最大输出电流I Omax

调整可变负载，用高精度数字表测量出最大电流。

3.2.5输出噪声纹波电压峰-峰值U OPP

改变外部负载，用带宽20MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）测量噪声纹波电压峰-峰值U OPP

3.2.6 DC-DC变换器的效率 （U2=18V,U O=36V,I O=2A）测试方法

调整开关电源，使之满足U2=18V,U O=36V,I O=2A，用高精度数字表测量DC-DC 变换器输入电流I2，变换器效率为100％×U O I O/U2 I2

3.2.7过电压保护(OVP)测试

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3.2.8过电流保护测试

3.2.9过功率保护测试

过电压、电流、功率保护测试均是通过调整负载或者通过键盘来设置，使电压、电流、功率达到设定的警戒值，测试蜂鸣器是否会发出报警声。

3.3测试数据

（1）输出电压U O可调范围：

（2）最大输出电流I Omax＝

（3）U2从15V变到21V时，电压调整率S U＝（I O=2A）

（4）I O从0变到2A时，负载调整率S I＝（U2=18V）

（5）输出噪声纹波电压峰-峰值U OPP＝（U2=18V,U O=36V,I O=2A）

（6）DC-DC变换器的效率 ≥（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；

（7）具有过流保护功能，动作电流I O（th）=

（8）具有过压保护功能，动作电压U O（th）=

（9）具有过功率保护功能，动作功率P O（th）=

（10）排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态

（11）能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输电压电流的测量和数字显示功能

4、测试结果分析

与设计指标进行比较，分析产生偏差的原因，并提出改进方法

5、电路图及设计文件

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