开关稳压电源报告.docx

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开关稳压电源报告

北华航天工业学院

《电子技术》

课程设计报告

报告题目：

开关稳压电源

作者所在系部：

作者所在专业：

作者所在班级：

作者姓名：

作者学号：

指导教师姓名：

完成时间：

2010年6月20日

课程设计任务书

课题名称

开关稳压电源设计

完成时间

指导教师

崔瑞雪

职称

讲师

学生姓名

刘俊杰

班级

B08213

总体设计要求和技术要点

设计一个数字式电容测量仪电路，要求如下：

1．能测量10μF-990μF范围内的电容量。

2．用两只LED数码管构成数字显示器。

数码管用来显示后两位，均用十进制数表示，即数字显示器可显示出的最大数字和最小数字分别为99和0。

|

3．数字显示器所显示的数字N与被测电容量CX的函数关系是N=Cx/（10μF）

4．在正常工作条件下，测量电路接上CX后数字显示器便可自动显示出数字，即不需要测试者进行清零、启动之类的操作，便可正常显示。

响应时间Tx不超过2s，即接上CX后，在2s之内，显示器所显示的数字N符合上述函数关系，其误差的绝对值在给定器件的前提下尽量小。

5、在正常测量范围内,显示数目应当清晰,但允许有所闪动。

6．若被测电容超过990uF，则数码管呈全暗状态，发光二极管呈亮状态，表示超量程。

7．测量电路应有被测电容器的两个插孔，并标上符号“+”和“-”。

“+”端电位瞬时值不低于“-”端电位的瞬时值，而且它们之间的开路电压瞬时值最大不超过5.5V。

工作内容及时间进度安排

第15周：

周1---周3：

立题、论证方案设计

周4---周5：

预答辩

第16周：

周1---周3：

仿真实验

周4---周5：

验收答辩

课程设计成果

1．与设计内容对应的软件程序

2．课程设计总结报告

内容摘要

本系统的设计电路由AC-DC变换电路、DC-DC变换电路、设定与显示电路、保护和测量电路等四部分组成。

AC-DC变换电路：

由自耦变压器、隔离变压器、桥式整流堆、和滤波电容等元件组成，可以在隔离变压器副边输出15～21Ｖ的电压，滤波后给DC-DC提供直流电压。

DC-DC变换电路:

采用Boost型拓扑结构，含有运放构成的固定频率脉宽调制电路,快速场效应管、电感等。

本系统通过调节取样电阻形成闭环反馈回路，采样康铜丝上的电压反馈为输入端。

本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等优点。

关键字：

Boost拓扑PWM运算放大器

目录

一、概述…………………………………………………………

二、方案设计与论证…………………………………………………………

1．DC-DC主回路拓扑方案选择…………………………………………

2．控制方法的方案选择…………………………………………………

3．电流工作模式的方案选择……………………………………………

三、单元电路设计与分析……………………………………………………

1．并联开关电路…………………………………………………………

2．三角波产生电路………………………………………………………

3．脉宽调制信号电路……………………………………………………

4．误差比较放大电路……………………………………………………

5．电源变换电路…………………………………………………………

四、总原理图及元器件清单…………………………………………………

五、结论………………………………………………………………………

六、心得体会…………………………………………………………………

七、参考文献…………………………………………………………………

一、概述

本系统的设计电路由AC-DC变换电路、DC-DC变换电路、设定与显示电路、保护和测量电路等四部分组成。

AC-DC变换电路：

由自耦变压器、隔离变压器、桥式整流堆、和滤波电容等元件组成，可以在隔离变压器副边输出15～21Ｖ的电压，滤波后给DC-DC提供直流电压。

DC-DC变换电路:

采用Boost型拓扑结构，含有运放构成的固定频率脉宽调制电路,快速场效应管、电感等。

本系统通过调节取样电阻形成闭环反馈回路，采样康铜丝上的电压反馈为输入端。

本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等优点。

二、方案论证与比较

2.1DC-DC主回路拓扑的方案选择

DC-DC变换有隔离和非隔离两种。

输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案：

方案一：

串联开关电路形式。

开关管V1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。

该电路属于降压型电路，达不到题目要求的30--36V的输出电压。

方案二：

串并联开关电路形式。

实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。

用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂。

方案三：

并联开关电路形式。

并联开关电路原理与串联开关电路类似，但此电路为升压型电路，开关导通时电感储能，截止时电感能量输出。

只要电感绕制合理，能达到题目要求的30--36V，且输出电压Uo呈现连续平滑的特性。

鉴于本题只需升压，故选择方案三。

2.2控制方法的方案选择

方案一：

采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。

根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。

负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。

该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。

方案二：

采用集成运放芯片。

响应速度快，死区时间可以调整，输出级为推挽式结构，驱动能力较强。

通过深度负反馈原理构成误差放大器，电压比较器和三角波产生器。

误差放大器用于为闭环控制，调整速度快。

电压比较器提供PWM信号，保证稳定输出电压。

三角波产生器构成信号产生电路，给电压比较器输出恒频三角波。

鉴于题目设计要求，选用方案二。

2.3电流工作模式的方案选择

方案一：

电流连续模式。

电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。

方案二：

电流断续模式。

断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。

由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。

鉴于设计要求分析，本设计采用方案二。

三、单元电路设计与分析

3.1并联开关电路形式

并联开关电路形式为Boost变换器。

该是DC-DC变换器中、最易于实现的、最常用的、最成熟的和输出电压等于或小于输入电压的非隔离型变压电路，且输入与输出负端是公共端。

因为开关频率F对DC-DC电路的效率影响很大。

若F太低，充电电感、充电电容的体积太大，在保证充电电感量的前提下，线圈匝数增多，铜损耗加大。

若F太高，可使充电电感和电容体积缩小，重量减轻，但充电电感的涡流损耗、磁滞损耗及其他元器件的分布参数的影响加大造成损耗加大。

开关频率F的选择必须综合考虑诸多因素。

本设计选定开关频率为44kHz。

当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。

电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。

线径的选择主要由本系统的开关频率确定。

开关频率越大，线径越小，但是所允许经过的电流越小，并且开关损耗增大，效率降低。

本系统采用的频率为44K，查表得知在此频率下的穿透深度为0.3304mm,直径应为此深度的2倍，即为0.6608mm。

选择的AWG导线规格为21#，直径为0.0785cm（含漆皮）.磁芯选择铁镍钼磁芯，该磁芯具有高的饱和磁通密度，在较大的磁化场下不易饱和，具有较高的导磁率、磁性能稳定性好（温升低，耐大电流、噪声小），适用在开关电源上。

开关管的选择：

本设计中开关频率大约为44KHz，开关速度要求特别快，导通电阻要小，而且要求承受的电流也特别大。

最终选择了IRF540，该芯片Ron=44毫欧，允许电流为33A,Vds=100V,能够实现要求。

3.2三角波产生电路

三角波产生电路包括同相输入迟滞比较器和积分器两部分。

同相输入迟滞比较器输出端产生方波，积分器对输入的方波信号进行积分，由于正反向积分常数时间相等，故方波输入后变成同频三角波进行输出，由于44kHz三角波振幅太小，增加一级反相比例放大电路，使之符合要求。

经计算可以求的振荡周期如下：

T=T1+T2=2*R20*R70*C1/R30+2*R20*R70*C1/R30

T=4*R20*R70*C1/R30

若方波输出端有稳压管的情况下，可以分别求出上下门限电压和门限宽度，如下所示：

VT+=R20/R30*VZ

VT-=-R20/R30*VZ

△VT=（VT+）-（VT-）=2*R20/R30*VZ

若积分器输出三角波最大值未超过运放输出电压最大值，则积分公式如下：

VI-VO=1/C*∫IdT=1/C*∫V/R*Dt

VO=-1/RC*∫VdT

上式表明，输出电压为输入电压对时间的积分，负号表示信号是从运放的反相输入端输入的。

输出级加入反相比例放大电路，其放大倍数计算如下：

VO=R23/R22*VI

由以上公式可得，输出三角波频率越高，其振幅越小。

故在三角波输出级加入反相比例放大电路，是输出信号成为振幅符合要求的三角波信号。

3.3脉宽调制信号电路

此处运放工作在非线性区，采用比较器电路。

三角波信号输入后，与预设电压进行比较后，产生脉宽调制信号，即PWM。

可易知脉宽受控于预设电压值。

其脉冲波形占空比为：

D=TW/T*100%

由此可见，通过调节占空比即可调节输出电压值。

其计算公式如下：

VO=VI*T/（T-TW）=VI*1/（1-D）

经仿真实际测量相关参数：

LowV=0VHighV=5VRiseTime=1USFallTime=1USFrequency=44KHZ

占空D

38%

40%

42%

44%

46%

48%

50%

输出U

29.3V

30.4V

31.5V

32.7V

34.0V

35.4V

36.9V

3.4误差比较放大电路

误差比较放大电路为系统构成闭环反馈环路的关键部分。

此处为减法电路和反相比例放大电路构成。

减法电路第一级为反相比例放大电路，第二级为反相加法电路。

由于运放工作在深度负反馈的情况下，计算参数如下。

由于比较器输入信号为反相信号，故此处增加反相器。

其作用不仅仅改变信号极性，而且具有调节比较器输入信号振幅的作用，从而易于改变脉宽调制电路的占空比。

在本设计中有些电阻要流大电流，功率要求特别大，所以在大电流处一定要选择功率大的电阻。

康铜电阻的大小选择：

康铜丝主要起两个作用，过流保护和测试负载电流。

康铜丝接在整流输入地和负载地之间，越小越好，这样会使两个地之间的电压很小。

但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判，并且对于后级运放的要求比较高。

3.5电源变换电路

根据题目设计要求为单电源，而本设计多是双电源运放，故必须增加电源转换电路。

此处仍旧采用运放深度负反馈原理，构成的具有稳定输出电压的双电源供电系统。

采用三端集成稳压器进行稳压，具有输出电压纹波小，响应速度快等优点。

在设计图中前端的稳压电源选择特别重要，这里是引来给芯片供电的，若选得太小，在调输入电压时会引起芯片的工作不稳定。

经过多次调试后选择了一个18V的稳压源，在题目要求的调节范围内不会影响芯片的工作，完全能够满足题目的要求。

四、总原理图及元器件清单

4.1脉宽调制信号电路

4.2并联开关电路电路

4.3电源变换电路

五、结论

采用并联开关式稳压电路，电路中的并联调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。

由于管子的饱和导通时管压降VCES和截止时管子的电流ICEO都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可以提高到80-90%，所以其体积小、重量轻。

由于上述优点突出，从而在市场应用中日趋主流。

六、心得体会

通过这次课设，使我对PROTEUS软件的使用有了初步的认识，在今后的学习过程中会有很大的帮助，在课设过程中用到了许多电器元件，包括运算放大器，三极管，计数器等等，从而对个各元器件的功能和使用有了进一步的实用了解。

课设过程中，充分运用到了自己所学的数电和模电知识，但课设过程中也遇到了许多麻烦和困难，主要原因是自己的基础知识不够牢固，导致许多器件的功能不够清楚认识。

通过这次课设，使我明白了学习数电模电的重要性和必要性，这是我们专业科的基础课程唯有学好他们，在今后的专业课的学习过程中才能顺风顺水，所以课下我一定重新好好学习我们的专业基础课，为将来的专业课打下良好的基础。

七、参考文献

电子技术基础主编：

康华光副主编：

陈大钦；

数字电子技术基础主编：

阎石；

电子技术动手实践主编：

崔瑞雪张增良副主编：

李国洪

教师评语及设计成绩

评语

课程设计成绩：

指导教师：

日期：

年月日