07开关电源第一名报告
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2007年全国大学生电子设计竞赛一等奖作品开关稳压电源
发布时间: 2007-11-27 20:27:22
作者:
责任编辑:
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,高频变压器原边两绕组的总电压是两倍输入电压,整流电压的幅值等于UI/n。因此能获得较大的输出功率。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C1=10000μF,C2=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C1和F,其他一样。其中C2=4700μF,滤波电感也是使用PQ32/30磁芯,但是是用6股Ф
0.5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UIN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
(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,
=5匝。
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