开关稳压电源的系统设计

摘 要： 系统基于开关电源的工作原理，采用SG3525PWM脉宽控制器实现对Boost升压斩波电路稳压输出。SG3525片内集成有5.1V基准电压源（精度可达到5.1±1%V）、双门限比较器（与外部的接口电路构成振荡器）、温度补偿电路、过流保护电路、两级差分放大器等。该系统电路主要包括整流滤波电路、Boost升压斩波电路、过流保护电路、稳压反馈电路、PWM控制电路和显示电路部分。开关电源输出电压可以实现在28V~37V之间平滑调节。为了能使系统获得安全稳定运行的条件，又增加了系统电路保护自锁单元。 关键字：整流滤波 脉宽控制器 开关稳压电源 Abstract: The system is based on the switch power operation principle, which uses the SG3525PWM Pulse Width Controller to realize that Boost can cut the wave with constant voltage output. TheSG3525 internal integration has the 5.1V voltage source (its precision can achieve 5.1±1%V), the double threshold comparator(with the exter connection electric circuit consist of constitution oscillator), the temperature compensation circuit, the over-current protection circuit, two levels of differential amplifiers and so on. This system mainly includes the rectification filter circuit, Boost circuit, the over-current protection circuit, the constant voltage feedback circuit,the PWM control circuit and the display circuit .The switching power output can realize thestepless regulation between 28V~37V. In order to obtain the stable operation condition, there is also increased protection self-locking unit. Key words: Rectification filter Pulse Width Controller the switch voltage-stabilized source 目录 TOC \o "1-4" \h \z \u 1. 系统设计 2 1.1. 论证 2 1.1.1. 系统总的设计方案 2 1.2. 方案比较 3 2. 硬件设计与理论计算 3 2.1. 整流滤波电路 3 2.1.1. 二极管整流桥堆选择 4 2.1.2. 滤波电容C的选择 4 2.2. 开关稳压转换电路 5 2.2.1. SG3525PWM波形调制电路 5 2.2.2. Boost斩波电路 5 2.2.3. 过流保护电路 7 2.2.4. 稳压反馈电路 7 2.2.5. 数码显示 7 3. 系统测试 7 3.1. 稳压电源 7 3.2. 测试结果分析 8 参考目录........................................................................................................................9 附录..............................................................................................................................10 1.​  系统设计 1.1.​  方案论证 1.1.1.​  系统总的设计方案 方案一：基于单片机的开关电源 采用单片机为核心，产生PWM波形。用内部的定时器产生一个200ms的脉宽可调的周期信号，经过单片机的I/O端口输出即为PWM波。 在开关电源的负载上取出采样电流经过A/D转换送到单片机，由单片机对设定值和采样值进行比较，通过比较的差值对脉宽进行调节，就可以改变BOOST电路的输入电压，从而实现对输出电压的调整。原理框图如图1.1.1所示。 图1.1.1 方案一原理方框图 方案二：用开关电源的控制芯片 利用开关电源的控制芯片SG3525来实时调节PWM波的脉冲宽度，保持输出电压的稳定。其大体的模块框图如图1.1.2所示。 图1.1.2 方案二原理方框图 1.2.​  方案比较 以上两种方案各有特色。方案一可以在一定的范围内实现任意输出波形的设定，并可以步进调整，系统的显示电路简单，输出电压值比较精确，电路比较繁琐复杂，成本高。方案二的设计采用了PWM波形调制集成控制芯片SG3525。其缺点是显示电路部分设计较复杂，优点是可以使系统实现平滑调压，其电路设计简单，调试方便，成本低。 综合以上叙述，结合器件和设备等因素，现采纳方案二。 2.​  硬件设计与理论计算 方案二的硬件部分主要有整流滤波、Boost升压斩波电路、PWM波形调制、过流保护以及数码显示等模块，各个部分的工作原理、设计及计算如下。 2.1.​  整流滤波电路 整流滤波电路是将输入220V、50Hz的交流电压变换成经过滤波后有脉动的直流电压。通常采用容性负载整流电路。如图2.1.1中所示。 图2.1.1 整流滤波电路 由设计要求整流输入电压为 ，可由经验公式计算 由于该开关电源的最大输出电流为2A，现设定整流输出电流为 。 2.1.1.​ 二极管整流桥堆选择 采用的二极管其最大的整流电流必须大于输出电流的一半即 ，故选用1.5A的集成桥堆来作为整流器件。 每个整流二极管的平均电阻近似为 ，变压器的内阻包括次级线阻和初级损耗可以用经验公式计算： 故整流器的内阻约为 2.1.2.​ 滤波电容C的选择 整流电路的负载 ，则 。对于容性负载桥式整流电路，当 、纹波 较小时可以得到 。因此滤波电容 可以用如下的关系式估算： 选取 ，耐压50V的电解电容即可。 2.2.​  开关稳压转换电路 开关稳压转换电路主要包括SG3525PWM波形控制电路和BOOST斩波电路，以及还有周围的辅助电路，例如过流保护电路，反馈稳压电路等。 2.2.1.​  SG3525PWM波形调制电路 其电路原理图如图2.2.1所示。 图2.2.1 SG3525PWM波形控制电路 在2.2.1图PWM波形控制电路中，其开关频率 有 管脚1与9相连接相当于该芯片的反馈补偿网络，2脚接基准电压和开关稳压输出端取出的取样电压作为设定值。8管脚接一个电容的作用是用来软启动减少功率开关管的冲击。管脚11和14才用的是并联单端输出，其外部加一个推挽式的驱动电路，增强了电源的可靠性。 2.2.2.​  Boost斩波电路 Boost斩波电路变换器又称为并联开关变换器，电路图如图2.2.2所示。 图2.2.2 Boost斩波电路变换电路 处于通态时，电压 向电感 充电，电流恒定为 ，电容 向负载 供电，输出电压 恒定。设 通态的时间为 ，此阶段L上积蓄的能量为 。 处于断态时，电压 和电感 同时向电容 充电，并向负载提供能量。设 断态的时间为 ，则此期间电感 释放能量为 。 当电路工作于稳态时，一个周期 中电感 积蓄能量与释放能量相等： 即 化简可得 上式中 ，输出电压高于输入电压，故称该电路为升压斩波电路。 （1）并联开关变换器的效率计算 当 管导通时，晶体管饱和压降为 ，在 截止期间，二极管 压降为 输入电流为 ，在 期间流过 管，在 期间流过 ，即内部损耗为 ， 这只是考虑晶体管直流损耗时的情况，当考虑晶体管在开关转换期间电压电流重叠期的交流开关损耗时，近似认为交流损耗等于直流损耗，也是 即效率可以近似为 （2）开关稳压电源输出滤波电容的选择 假如输出滤波电容 必须在 开启的 期间供给全部负载电流，设在 期间， 上的电压降 ， 为所要求的纹波电压由以下公式可得到 （3）开关稳压电源储能电感的选择 假设忽略电路的内部损耗，根据经验公式可以得到 2.2.3.​  过流保护电路 过流保护电路的实现是通过继电器的吸合、关断实现过流保护的。该继电器的动作电流为 。其具体的电路图见附录2图2.2.3所示。 2.2.4.​  稳压反馈电路 稳压反馈电路是根据经典电路设计的。具体的电路图见附录2图2.2.4所示。 2.2.5.​ 数码显示 本设计中采用动态显示方式驱动3个七段数码管，分别显示电压的十位、个位和小数位。数码管采用共阴极。由于AT89C52单片机每个I/O的拉电流只有1—2mA。所以在位码和段码都加上了同相驱动器。单片机XTAL2、XTAL1接12MHZj晶振，提供系统时钟基值。RESET接复位按键。原理图见附录2如图2.2.5所示。 3.​ 系统测试 3.1.​  稳压电源 （1）输出电压可调范围 接上18Ω的负载，在输出电流最大达到2A的情况下，用数字电压表测出输出电压可调范围27V～37V。 （2）电压调整率 调节变压器使输出电压在15V～21V之间变化，按照下表测量输出电压 表3.1.1 电压调整率测量表 输入电压/V 15 18 21 输出电压/V Uo1=29.5 30 Uo2=31 输出电压/V Uo11=35 36 Uo22=39 由以上数据可以直接求出电压调整率，则 (或 )， 为30V（或36V）， ，由电压调整率的公式可以计算得到 （3）负载调整率 在输出电压为30V时，空载情况下用数字电压表测出输出电压为30V，满载的情况下测出输出电压为 =28V，则负载调整率为 在输出电压为36V时，则 ，负载调整率为 （4）效率的计算 调整输出电压为30V（或36V），输出电流为满载125mA，即输出功率 。用功率表测供电输入总功率 ，则效率 65.8% （5）用示波器测得纹波电压值 ＜0.5V。 （6）最大输出电流 系统电流超小，不能满足要求，基本在200mA以下。 3.2.​  测试结果分析 由以上的测试数据表明，本设计只是完成了题目所要求的一部分。究其原因，实为我们所学知识有限，再加上在实际设计中的各种突发困难以及数据参数设置的不当，导致无法精确的实现题目的要求。在本系统中存在着很多的不足之处，这些有待改进。比如说要严格按照所计算的数据进行选择元件，还有模拟电路中常常有一些不稳定的因素，所以对于模拟电路的设计要尽量保持元器件的线性度，以便给调试工作带来方便。 参考文献： 1.张毅坤．单片微型计算机原理及应用．西安：西安电子科技大学出版社，2006年 2.童诗白，华成英．模拟电子技术．北京：高等教育出版社， 2004年 3.王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社， 2005年 4.黄正瑾．电子设计竞赛赛题解析．江苏：东南大学出版社， 2003年 5.黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程．北京：电子工业出版社， 2006年 6.陈永真．全国大学生电子设计竞赛精解选．北京：电子工业出版社， 2007年 7.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2005）．北京：北京理工大学出版社，2007年 8.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2003）．北京：北京理工大学出版社，2005年 9.全国大学生电子设计竞赛教程（模拟电子线路设计）．北京：电子工业出版社，2007年 附录1 主要元器件清单 元器件名称 数量 SG3525 1片 TL431 1片 LM358 1片 7805 1片 7812 1片 8050 1个 8550 1个 CMOS 2SK727 7D01 1片 可调电位器2K 2个 可调电位器10 1个 二极管 4个 整流桥堆KBP2040 1个 光电耦合4N25 1个 变压器±9V 1个 继电器10A120AC 1个 附录2 系统单元电路图 图2.2.3过流保护电路 图2.2.4稳压反馈电路 图2.2.5系统数码显示电路 附录3 系统电路原理图 附录3系统电路原理图