稳压电源设计

数控直流稳压电源设计

摘要

数控直流稳压电源是采用单片机的控制实现直流稳压电源输出的可调控制以及输出的显示。该电源的设计主要由主电路、变换器控制电路以及单片机控制电路组成。主电路是一个DC/DC变换器；变换器控制电路主要是由专用PWM控制集成电路构成；单片机控制电路主要由单片机最小系统、键盘、显示等部分组成。该稳压电源设计要求总体结构简单，实用，使用方便，可作为小功率的电子设备的电源，也可作为电子线路调试用电源以及其它直流稳压电源使用场合。本文主要阐述数控直流稳压电源的主电路和变换器控制电路的设计。

关键词

数控；稳压电源；脉宽调制（PWM）；变换器；开关电源

Abstract

This topic mainly designs the numerical control cocurrent voltage-stabilized source. The numerical control cocurrent voltage-stabilized source is uses monolithic integrated circuit's control to realize the adjustable control which as well as the output demonstration the cocurrent voltage-stabilized source outputs. This power source's design mainly by the main circuit, the converter control circuit as well as the monolithic integrated circuit control circuit is composed. The main circuit is a DC/DC converter; The converter control circuit is mainly controls the integrated circuit constitution by special-purpose PWM; The monolithic integrated circuit control circuit mainly by parts and so on monolithic integrated circuit smallest system, keyboard, demonstration is composed. This voltage-stabilized source design requirements gross structure is simple, practical, the easy to operate, may take the low power electronic installation's power source, may also use electricity the source as the electronic circuit debugging as well as other cocurrent voltage-stabilized source use situation. This article main elaboration numerical control cocurrent voltage-stabilized source's main circuit and converter control circuit's design.

Key words

Numerical control；V oltage-stabilized source；Pulse-duration modulation (PWM)；Converter；Switching power supply

目录

摘要 0

关键词 0

Abstract 0

Key words 0

引言 (3)

1. 总体方案设计 (4)

1.1主电路方案设计 (4)

1.2变换器控制电路方案设计 (5)

2. 电路设计和参数计算 (5)

2.1主电路设计与参数计算 (5)

2.1.1 设计预估算。 (6)

2.1.2设计高频变压器 (6)

2.1.3 功率开关管Q3 (8)

2.1.4 直流输入电源部分设计。 (8)

2.1.5 输出整流器设计 (8)

2.2控制电路设计与参数计算 (9)

2.2.1 电压检测电阻分压网络 (9)

2.2.2 开关电源控制器IC。 (10)

2.2.3 电流检测网络 (11)

2.2.4 过流保护和软启动 (12)

2.2.5 负反馈补偿设计 (12)

2.2.6 参考电压的获取 (13)

结束语 (13)

参考文献 (14)

附录一主电路和变换器控制电路原理图 (16)

引言

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

电源采用数字控制，具有以下明显优点:

(1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

(2)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

(3)控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

(4)系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试,也可以通过MODEM远程操作。

(5)系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

(6)易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯)，从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

1. 总体方案设计

数控直流稳压电源的设计要求是采用单片机的控制实现直流稳压电源输出的可调控制以及输出的显示。该电源系统的总体设计框图如图1-1所示。从图中可以看出，该系统主要由主电路、变换器控制电路以及单片机控制电路组成。主电路是一个DC/DC变换器；变换器控制电路主要是由专用PWM控制集成电路构成；单片机控制电路主要由单片机最小系统、键盘、显示等部分组成。

图1-1 电源系统的总体设计框图

1.1 主电路方案设计

主电路主要是由一个DC/DC变换器构成。该变换器主要有隔离式和非隔离式两种方案可以选择。

方案一，采用非隔离式变换器。非隔离式变换器可以选择降压式（BUCK）变换器。为了使变换器输入和输出电压差值不至于太大（PWM控制占控比不至于太小），需要将220V交流输入电压先经过工频变压器降压整流后来提供变换器较低的直流输入电压。这样的变换器输入和输出无法得到电气隔离，而且需要一个体积和重量较大的工频变压器。

方案二，采用隔离式变换器。隔离式变换器可以选择结构最简单的反激式变换器。该变换器能直接将220V交流输入电压整流后提供变换器较高的直流输入电压，不需工频变压器，通过PWM控制开关工作，将直流电压逆变成高频脉冲电压，通过设置适当变比的高频变压器降压整流后得到所需的较低的直流输出电压。这样的变换器通过高频变压器可以实现输入输出电气隔离，而且高频变压器的体积和重量均比工频变压器小得多，同时这样的变换器可以很方便地实现多路输出。

鉴于以上两种方案的比较，主电路选择由反激式变换器构成。

1.2 变换器控制电路方案设计

变换器的控制是采用脉宽调制（PWM）控制，PWM控制主要有电流和电压两种模式可以选择。

方案一，采用电流模式PWM控制。采用该模式控制能使系统的稳定性好，响应快，且具有快速限制电流的能力，但线性不够好，不易调试，且不易用单片机来控制。

方案二，采用电压模式PWM控制。采用该模式控制虽然稳定性没有电流模式好，响应也不够快，但是它的结构简单，线性度好，易于用单片机控制，且调试方便。

因此，变换器的控制可选择电压模式PWM控制，电路中可以采用专用电压模式PWM控制集成电路SG3525来实现

2. 电路设计和参数计算

2.1 主电路设计与参数计算

由上可知，主电路主要由反激式DC/DC变换器构成，如图2-1所示。

220V

Vin 图2-1 主电路

从图2-1可知，反激式变换器的直流输入电压是220V 交流输入经过共模滤波器（EMI ）、桥式整流以及电容滤波后获得的。其中共模滤波器可以从市场上直接购得，桥式整流器可以选用桥堆。R6、C16串联支路是吸收电路。由Q3、D2、T2、C17等构成的就是反激式变换器。由Q1、Q2、R8、R12构成的是过流保护电路。

主电路的器件选择及参数设计主要包括以下几方面：

2.1.1 设计预估算。

设计预估算包括总的输出功率、输入功率、直流输入电压、平均输入电流、峰值电流以及散热等。

（1）总的输出功率：o P 24V 2A 48W =?= （2）估算输入功率：in o P =P η48W 0.860W == （3）直流输入电压：（220V/AC 输入）：inmin inmax V =AC185V 1.414=DC262V V =AC240V 1.414=DC340V

??

（4）平均输入电流：

最大平均输入电流inmax in inmin I =P V =60W 262V=0.23A ， 最小平均输入电流inmin in inmax I =P V =60W 。

（5）估算峰值电流：pk inmin I =5.5P V 5.548W 262V 1.01A o =?=.

（6）散热：基于MOSFET 的反激式变换器的经验方法，损耗的35%是由MOSFET 产生，60％是由整流部分产生。估计的损耗为12W （效率为80％），其中，MOSFET 损耗为12W ×0.35＝4.2W ，整流部分损耗为12W ×0.6＝7.2W 。

2.1.2 设计高频变压器

利用AP 法进行设计高频变压器。其参数计算如下：

（1）磁芯选择：电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs 值比较小，常使用在开关电源中。故磁芯选用锰锌铁氧体软磁材料，B W ＝0.2T ，结构选用E-E 型。

根据公式（2-1）计算AP 值，

14

1010AP x

f s W j P K K f B K +???=

? ???

（2-1）

其中窗口使用系数00.4K =，波形系数4f K =（方波），工作磁通密度0.2T W B =，工作频率z 100kH s f =，允许温升250395,0.14j K x ==-。

14

10.14

43

6010

AP 0.0288cm 0.44100100.2395-???== ????????

根据AP 值，选取磁芯的A e 、A w 值，具体选取的E-E 型磁芯的A e 、A w 值分别为： A e ＝0.61cm 2，A w ＝1.17cm 2，AP=A e ×A w ＝0.71cm 4。 （2）计算原边绕组的匝数：

44

max 3

1034010704100100.20.61

in p f s W e V N K f B A ??===????匝 （3）计算电流密度：

()()()

0.14

2AP 3950.71414.4A cm x x j w e j J K A A K -===?=

（4）计算原边绕组裸线面积：

2420.23A 414.4A/cm 5.5510cm xp p A I J -==≈?，由导线规格表的AWG 规格，可

选取线号为AWG#26，42

1310cm xp A -=?，导线直径0.4mm d =。

（5）计算副边绕组匝数：

()()

()()max min max

170240.910.5 6.62620.5

p o D s in N V V d N V d +-?+?-=

=≈?匝（取7匝）

（6）计算副边绕组裸线面积：

222A 414.4A/cm 0.0048cm xs o A I J ===，实际选取由50根直径为0.1mm 的漆包线组成的多股线，总导线截面积约为3.96mm 2，满足要求。

（7）原边绕组电感最小值：

min max 3z

262V 0.5

1.29mH 1.01A 10010H in P pk s V d L I f ?=

==??

（8）由于是反激式变压器，工作期间绕组中有较大的直流电流，故容易使变压器磁芯饱和，为了避免饱和，需要在磁芯中加气隙，气隙的大小计算如下：

2722

04107071mm 0.34mm 1.29mH

p e

gap p

N A l L μπ-???=

==

根据以上计算的参数设计的变压器测得原边绕组的电感约为1.61mH ，满足要求。

2.1.3 功率开关管Q3

在电路中，因功率开关管Q3（选用功率MOSFET ）要求： ()()max 070

340V 24V 0.9V 589V 7

p DSS flbk in d s

N V V V V V N >=++=+

+= 1.01D pk I I A ≈=，

故选取IRF830，其参数：V DS =500V ，I D =4.5A 。其驱动端（栅极端）连接的电阻R14=10Ω，R9=10k Ω。

2.1.4 直流输入电源部分设计。

直流输入电压是220V 交流输入经过共模滤波器（EMI ）、桥式整流以及电容滤波后获得的。其中共模滤波器可以从市场上直接购得，桥式整流器可以选用桥堆。这部分电路其它参数有：C1=C2=0.1uF/400V ，C14=C15=100uF/250V ，R4=R5=1M/1/2W 。R6、C16、D3串联支路是吸收电路，R6=3.3k Ω，C16=680pF ，D3为快恢复二极管MUR1100。

2.1.5 输出整流器设计

在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中，电网的高压交流功率通过变压器变换为直流功率。提到未来（不久的或遥远的）的其它类型整流器: 以不可控二极管前沿产品为基础的斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然，这种最新型的整流器在技术上包含较多要开发的内容，但是它能显示出优点，例如它以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。

本设计输出整流器由肖特基整流二极管D2和电容滤波器C17组成。 （1）因肖特基二极管D2的反向承受的最大电压： max max 7

24V 340V=58V 70

s R o in p N V V V N >+

=+? 最大正向整流电流max 2A F av I I >=

故选取MBR20100肖特基整流二极管，其参数：V RRM =100V ，I F （A V ）=10A 。 （2）因输出滤波器电容0max max min ()

2A 8μs

64μF 250mV

off out ripple desired I T C V ?==

=

故选取C17=100μF/50V 电容。

2.2 控制电路设计与参数计算

2.2.1 电压检测电阻分压网络

电压检测采用直接从输出端电压分压实现，如图2-2所示，检测电流取1mA,则下端电阻R2,设计输出24V 电压时，基准电压为4.0V ，则分压网络下端电阻为24V 1mA 4k R ==Ω，实际使用时可以由一个固定电阻R2＝2k Ω串接一个电位器R3＝5k Ω，以方便调试。上端电阻为()124V 4V 1mA 20k ΩR =-=。

通过电阻分压检测到的输出电压送入SG3525的1脚。

图2-2 PWM 控制电路

2.2.2 开关电源控制器IC 。

影响电源控制器IC 选择的主要因素是：需要有MOSFET 驱动，单极性输出，能把占控比限制在50％内，电压型控制。工业通常选择SG3525。

SG3525是电压控制型PWM 控制器，其内置了5.1V 精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT 引脚和Discharge 引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM 比较器反向输入端处于低电平，PWM 比较器输出高电平。此时，PWM 琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM 比较器输出为正的时间变长，PWM 琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。

欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。

此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM 脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM 琐存器才被复位。

该芯片内部结构图如图2-3所示。SG3525内的振荡器的频率由外接的电阻R T 和电容C T

决定。计算公式如下：

1(0.73)t T D T

f R R C =

+

其中R D 是芯片5脚与7脚之间的电阻，一般可选100Ω。要注意的是振荡器的频率是驱动开关管的开关信号频率的两倍。

由于本课题选择的开关信号频率是100kHz ，故f t =200kHz ，实际选取R T =R20＝6.8kHz ，

C T =C13＝1nF ，R

D =R15＝100Ω。

图2-3 SG3525内部结构图

2.2.3 电流检测网络

电流检测是通过输出回路上串接一电流检测电阻R18＝1Ω，将输出电流信号转换为电压，经过差分放大10倍，跟随隔离后送入单片机控制电路的AD转换输入端。如图2-4所示。其中差分放大器的参数为：R10=R11=10kΩ，R16=R17=100kΩ。跟随器输入端电阻R21=10kΩ。

图2-4 电流检测网络

2.2.4 过流保护和软启动

当检测到有过流情况，一方面单片机AT89C52的P3.6送出一高电平至SG3525的10脚，使内部晶体管导通，从而强制关闭开关信号，关断变换器的开关管；另一方面P3.7送出一低电平，使Q2导通，Q1关断，切断高频变压器一次回路。其中：R8=5k Ω，R12=2k Ω。Q2选取9011PNP 晶体管，Q1选取MOSFET 管IRF640，其V DS =200V ，I D =18A 。

在8脚外接一电容C12=10Uf/50V ，在系统刚上电时，电容逐步充电，通过电容上的电压不断上升来限制开关管占控比的不断增大，从而实现软启动。

2.2.5 负反馈补偿设计

电压型控制的反激式变换器具有单极点滤波响应，可以采用极点-零点补偿器（如图2-5所示）来进行负反馈补偿。这样的补偿器具有直流增益大、相位超前的特性。补偿设计时，使补偿器在直流处设置一个极点，通过提高误差放大器的开环增益来改善输出调节性能；在输出滤波器最低极点频率或以下引入一个零点，以补偿滤波器极点引起的相位滞后；补偿器的最后一个极点用来衰减高频分量，以抵消输出滤波电容ESR 引起的零点作用。

输出滤波器的极点、ESR 零点和直流增益是：

()()2

2

DC

340V 3.3V 7A 13.89340V 2.4V 70

in out

s in c

p V V N

V V N --===?? 该增益用分贝表示为

DCmax 20lg13.8922.85dB G == ()()fp 3.311241Hz 22 3.3V 0.5A 100μF

L f R C ππ=

==??（在3.3V 额定负载0.5A 时）

()()fp 2411

6.6Hz 2224V 0.1A 100μF

L f R C ππ=

==??（在24V 轻载0.1A 时）

假设由输出滤波电容的ESR 引起的零点位置大致在20kHz 处，幅频特性的穿越频率应小于5s f ，即：0100kHz 20kHz X f <=。

穿越频率处闭环增益为0dB 时所要增加的增益量为

()()

()00DC fp 3.320lg 20lg 10kHz 241Hz 22.85dB=9.5dB X x G f f G =-=-

0 2.98X A =

将补偿器的零点设置在滤波器呈现出来的最低极点位置，即

ez fp 6.6Hz f f ==

将补偿器的极点位置设置在电容ESR 引起的零点频率上，即

()ep z ESR 20kHz f f ==

已知电压检测网络上端电阻R1=20k Ω，则零点－极点补偿器如图2-5中的参数计算如下：

1101ep

11

133.5pF 22 2.982020k Ω

X C A R f k ππ=

=

=??Ω?（取133pF ）

1301 2.9820k Ω59.6k ΩX R A R ==?=（取68k Ω）

101311

0.35μF 22 6.6Hz 68k Ω

ez C f R ππ=

==??（取0.33μF ）

。

图2-5 极点-零点补偿器

2.2.6 参考电压的获取

SG3525的2脚是参考电压的输入端，在本电源中，要使输出电压可调节，主要是通过改变参考电压来实现的，而该参考电压是由单片机编程，DA 转换再经过由U1组成的跟随器隔离输入SG3525的3脚。

结束语

忙忙碌碌了好长一段时间，终于把毕业设计给搞好了。这毕竟是我们三年学习的知识的一次总体展示。同时这也是一次学习的过程，到电子市场逛逛，让我认识了更多的电子器件，也明白了解了他们的作用、功能以及他有的那些的规格参数等等。其实我们学生真应该多去电子市场逛逛，了解了解电子器件，对于我们的学习和生活有很大的帮助。对于实物的设计和制作过程，我再一次明白了各部分电路的作用以及如何实现它的作用的，各种元器件的参数设置也相当的重要。设计是基本都达到了预期的效果，但由于自己能力的关系，总觉得有些不尽如人意，数据不是很详细、精确等等。

这是大学生涯的最后一次作业，也是一次三年学习成果的展示。在这我要感谢我们的老师，是他们传授了我们新的知识，给我们讲解了新的内容，是老师的认真负责让我能够掌握和运用专业知识。尤其要感谢我的指导老师—俞先锋老师，正是他的悉心指导和不厌倦的讲解，让我明白了很多设计中的原理，才能让我的毕业设计能够如期完成。在此我要向他深深的说声谢谢！

参考文献

［1］杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术．机械工业出版社，2004.3

［2］Marty Brown（著），徐德鸿，沈旭等译．开关电源设计指南．机械工业出版社，2005.1，第1版

［3］叶建波，余志强．EDA技术—Protel 99 SE & EWB 5.0．清华大学出版社，2005.3，第1版

［4］https://www.360docs.net/doc/541911767.html,

附录一主电路和变换器控制电路原理图

浙江水利水电专科学校毕业论文（设计）17