2007年开关稳压电源_国赛一等奖

开关稳压电源

作者：陈国贞陈涛李强

一等奖作品

摘要：使用PWM控制器SG3524设计并制作了一种推挽型DC/DC变换器，输出电压可在30～36V可调，系统效率可以达到92%。整个变换器由C8051F020型单片机作为控制核心，可以将输入输出电压、电流和系统效率显示出来，并可以对输出电压预设和步进调整，还可以实现过流保护和过压欠压指示，完成了基本部分和发挥部分的所有要求。

关键词：推挽 SG3524 C8051F020

Abstract: Using PWM controller SG3524, we designed and produced a push-pull DC/DC converter ,whose output voltage can be adjustable from 30V to 36V .The system efficiency can reach 92%.The converter uses C8051f020 as a controller .The input and output voltage ,input and output current ,and system efficiency can be displayed . It also has over-current protection ,

over-voltage and under-voltage instructions. You can preset and step the output voltage. The converter realizes all the basic part and exertion part requirements.

Keywords:push-pull SG3524 C8051F020

一、系统方案选择与论证

1.主回路拓扑方案选择与论证

方案一：非隔离式升压型DC/DC变换器（图省）

如图1，功率开关管和负载直接与整流电路串联，输出电压可以通过公式一求得，该方案简单，调整方便，可靠性高，但是在大功率输出时效率提到很高则变得非常困难，而且输入输出之间没有电的隔离。

方案二：单端正激DC/DC变换器

如图2，输入电能通过整流二极管D1、D2传递给负载，同时将部分能量储存在储能电感L中。该方案利用高频变压器原副绕组隔离的特点，可方便地实现输入和输出之间电的隔离，而且很容易实现多路输出，但是此方案中的高频变压器磁芯仅工作在B—H曲线的一侧，因而磁利用率和效率都低。

方案三：推挽型DC/DC变换器

如图3所示，由两个单端正激开关电源叠加而成，所以输出电压是单个单端正激开关电源输出电压的两倍，该方案在场效应管导通期间，高频变压器原边两

/n。因此能获得较大的输绕组的总电压是两倍输入电压，整流电压的幅值等于U

I

出功率。而且驱动电路简单。不过会因磁芯饱和出现集电极电流尖峰而导致开关管损坏，对功率管的耐压要求高。

考虑到系统效率要达到85%以上，我们选择了方案三来制作升压电路，这样的话不但输出电压可以很容易达到题目要求，而且高频变压器的利用率很高，输出功率可以做的很大。

2.PWM控制芯片的选择

方案一:TL494。TL494内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，但在本系统中不能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，不便于实现过压过流保护。

方案二:SG3524。SG3524具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便地实现过压过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180°的PWM信号，有效地减少输出电流的纹波，适合于推挽拓扑电路。

方案三:UC3842。UC3842是电流型PWM控制芯片，适合于单端直流变换器，有欠压和关断功能，但滞后电压为6V，负载调整率较高，可以逐脉冲限流。另外也没有强制封锁端。

考虑到系统已经选用推挽电路，而且要求有过流保护，我们选择SG3524作为PWM信号控制芯片，内部具有过流检测端和自动封锁端，配合软件不需要搭建复杂的保护电路，还可以具有自恢复功能。

3.提高效率的方法

(1).我们在设计过程中发现选定较高或较低的频率都会使效率降低，经过反复测试，最终选定了开关频率为140KHz。

(2).使用专门的MOS驱动芯片，比如MC34152,对PWM信号整形，使驱动波形上升沿和下降沿陡峭，减少开关损耗。

(3).改善变压器的绕制工艺，使其漏感尽量小，使用多股铜线并绕的技术降低趋肤效应，降低铜损。

(4).选用低压差的肖特基二极管，降低整流损耗。

(5).在合适地方添加吸收网络，减少阻尼振荡。

经过综合考虑，我们采用(1)(2)(3)(4)来提高系统效率,同时使用液晶显示，电流传感器采样，降低功耗，使系统效率能够达到90%以上。

二、主要硬件电路设计和参数计算

1.单片机控制电路的设计

我们使用C8051F020型单片机，其有丰富的内部资源，包括本次设计用到的AD、DA和丰富的I/O口资源。用来采样输入输出电压电流值，控制输出电压步进和预设，同时控制保护电路。具体硬件电路参看图4.

2.输入输出整流滤波电路设计

为滤除交流电源线上的外来干扰，同时能避免向外界发出噪声。在电源的输入端加了EMI滤波器。采用全桥整流和型滤波电路技术，对经过220V／18V交流变压器的交流信号进行处理，最后得出的整流滤波后的电压。据题目要求，当交流输入电压从15V到21V变化时，输出电压会在18.3V到26.1V之间变化，参看图5。为了使纹波电压尽可能降低，达到1V，以至于不影响后级电路的设计，取

C 1＝10000μF,C

2

=4700μF,滤波电感使用PQ32/30磁芯绕制4层，经过实际测量

纹波电压不超过1V。

输出回路采用全桥整流和LC滤波技术，电路图和图5相比只是少了C

1

和F，

其他一样。其中C

2

=4700μF，滤波电感也是使用PQ32/30磁芯，但是是用6股Ф0.5的铜线并绕3层。

3.主回路拓扑电路（图省）

SG3524是美国硅通用公司生产的双端输出式脉宽调制器，工作频率高于100KHz，工作温度为0℃～70℃。我们设定的最高的开关频率为140KHz，所以通过公式四

可以计算得到C3=0.3Mf,R3=3.3KΩ。+5V输出电压经过取样由R1、R2、R9、R10构成的电阻网络分压后获得取样电压，送至误差放大器反相输入端；C8051F020的DA输出的电压送到误差放大器的同相输入端。通过DA控制误差电压，使PWM 信号的脉冲宽度发生相应的变化，经输出电路迫使输出电压跟随DA输入电压变化，从而达到稳压目的。MC34152是将SG3524产生的PWM信号整形，使PWM信号的上升沿和下降沿变得更加陡峭，减少开关损耗。R7、R8是用以消除脉冲信号阻尼振荡的消振电阻。开关管选用了耐压150V的MOS场效应管IRFB52N15D，导通电阻很小；整流二极管使用能够耐100V的肖特基二极管，压降小，可以避免功率的不必要损失。

4.高频变压器的设计

高频变压器的设计要求为开关频率最高为140KHz，最小为60KHz，输入电压

U

IN

为18.3V～21.6V。额定输入电压为18V，输出电压30～36V，输出电流要求能够达到2A，整流管正向电压降为1.2V。具体设计过程为:

(1).变压器的传输功率为：

考虑副边绕组铜耗，采样、过流保护信号等电阻损耗和原边开关损耗后，设效率为90％则输入功率为

(2).由PQ磁芯的最大传输功率（100KHz）关系可知，至少需要PQ26／20型的磁芯。由于题目中并没有体积要求，为了使最大传输效率达到最佳效果，而且考虑到目前有的几种磁芯型号，选用了PQ40／40型磁芯。其每伏输入电压对应的匝数，绕线窗口面积，窗口有效利用系数=0.56。

(3).原边线圈的匝数

，取整=5匝。

(4).副边线圈的匝数

，取整为16匝。

(5).根据趋肤深度和频率的关系可知穿透深度为

(mm)

经过反复调试我们最终设计的高频变压器初级线圈用铜皮绕了6匝，次级线圈用Ф0.5mm的铜线16股并绕了18匝，初级和次级线圈都有中间抽头，使得能够流过满足题目要求的足够大的电流。

5.效率分析及计算

我们对内部各部分电路功率损耗进行了简单的估算，结果参看表1，

那么功率损耗综合大约为6.3W，输出功率最大值为74.4W，则系统效率约为92.2％。

6. 保护电路的设计

我们为整个系统设计了过流保护，而且有自恢复功能，在此基础上还增加了过压和欠压显示。单片机检测到输出电流超过2.5A时，向SG3524发出过流信号，送至电流检测端-INV，然后SG3524停止工作，使输出回路断开，达到过流保护。由于U

的范围为18.3V～26.1V我们在26.5V过压和14V欠压。过流保护、过压IN

欠压指示电路参看图7。（图省）

7. 测量电路的设计

(1).输入输出电压的测量

将输入电压经过电位器分压后送到单片机的AD里面，将电压计算出来。输出电压也是一样。

(2).输入输出电流的测量

我们使用了霍尔电流传感器CS005、CS020，其具有耐压高、成本低、性能稳定等优点，二者分别对输入输出电流采样，并将电流信号通过电阻转变成电压信号，剩下的工作和输入输出电压测量一样。用CD4051控制两路电压信号和两路电流信号的分时采样，仅使用一个AD就可以完成四路信号的采样测量。

8.键控和显示电路的设计

我们使用了ZLG7290制作了键盘控制电路，具有功耗小，需要资源少，操作方便等优点。显示电路采用FYD12864将测量结果显示出来，最大的优点就是功耗小，界面友好，将输入输出电压和输入输出电流都显示出来，同时将效率也显示出来。

三、软件设计

我们通过C8051F020内部AD/DA,设计能够检测四路电压电流信号，并控制实现键控、预设和数字显示。软件流程图参看图8.（图省）

四、系统测试及结果分析

1.测试仪器

这次我们整个测试用到的仪器有

①.DH1718D-5型双路跟踪稳压稳流电源②VP-5220A-1型模拟示波器

③MASTECH公司的MY-65型万用表④型调压器

2.测试步骤

(1).键控、显示和预设功能测试。将U

O

预设在36V，然后用键盘控制步进减到30V时，然后步进增到36V，步进值设定为1V，每一次测量中都用万用表测量输出电压值，测试实际结果见表2。然后一次按下想要预设电压值的十位、个位、十分位，但设定值不能超过30到36V的范围。我们测试了三组结果见表3.

(2).电压调整率。调整负载，使I

O ＝2A，U

O

＝36V，用调压器缓慢调整交流电网

电压，使得U

2

在15到21V之间变化，记下输出电压的最大值和最小值。实际测

得最大值为36.03V，最小值为35.98Ｖ。

(3).负载调整率。调节调压器，将U

2

设定到18V，再把输出电压设定为36V，调

节负载，使得I

O

从0到2A变化，记下输出电压的最大值和最小值。实际测得最大值为36.01V，最小值为35.86V。

(4).测试系统效率。调节负载，使得U

2＝18V，U

O

＝36V，I

O

＝2A，然后测试输入

电压值，测试三次，测试时要用到两个万用表，用万用表测量每次的输入电压电流、输出电压电流值用并将其记下。测试结果如表4所示。结果显示我们的效率能够达到92%。

表3

表4

表2

(5).保护电路测试。首先测试过流保护电路。将输出电压调节到36V，实际中我们的测试点是35.9V，将万用表的直流电流挡串入输出回路和负载之间，然后减小负载值，观察万用表的显示值，看其达到2.5A时，过流保护电流的指示灯有没有点亮（平常是灭的），接着再将负载变大，看显示值达到2 A时系统有没有恢复正常工作，同时指示灯应该变灭了。实际中我们测得电流值达到2.54A时指示灯点亮，减小到2.19A使指示灯灭了，同时系统恢复正常。

接着测试过压欠压指示电路。将万用表的直流电压挡接到U

的地方，然后

IN

调节交流调压器，看显示值减小到16V时指示灯是否亮了，当恢复到18V时系统是否正常。实际中我们在14V欠压指示，15V恢复正常。过压指示测量方法也是一样。过压时电压是26V，自恢复正常电压为25V。表明系统能够实现过流保护，过压和欠压指示，而且具有自恢复功能。

(6).纹波测试。用示波器调节到交流耦合，观察输出电压的纹波，实际测得纹波电压峰峰值不超过50mV。达到了题目要求。

3.结果分析

(1).由测试步骤一可知，输出电压能够键盘设定和步进调整，精度可以达到±0.1V；

(2).由步骤二可知，电压调整率

。

(3).由步骤三可知，负载调整率

。

实际指标基本达到了设计指标，由于DA随着负载电流加大有一点下降，使得电压调整率、电流调整率有些许偏差。步进和预设也实现了，纹波最大50mV，效率可以的达到92%.由于时间原因，我们只做了过压欠压指示，而过压欠压保护没做。

五．总结

本系统以C8051F020为控制核心，控制液晶显示、键控步进、输出预置和输入输出电压与输入输出电流测量等各个部分。输出电压可在30V～36V间连续变化，最大输出电流可以达到2A，负载调整率可以达到0.5%，电压调整率可以达

到0.2%，效率可以达到92%。具有过流保护和过压欠压指示功能，整个系统连续

工作7个多小时也不会出现问题。基本达到了题目中的所有要求。但因为时间有限，还有许多值得改进的地方：比如说布线有点乱，系统做的有点大。最后感谢学校的培养和全国电子设计竞赛组委会给予我们这次锻炼的机会。