UC3842單端反激式DC-DC變換器開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計附PCB文件,電賽資料

ID:423275 · 發(fā)表于 2018-12-2 17:14

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開關(guān)穩(wěn)壓電源（E題）

摘要

該電源以單端反激式DC-DC變換器為核心。市電通過自耦式調(diào)壓器，隔離變壓器，整流濾波后產(chǎn)生直流電壓，經(jīng)DC-DC變換得到題目所需輸出電壓，實現(xiàn)了開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計。DC-DC變換器采用脈寬調(diào)制器（PWM）UC3842，通過調(diào)節(jié)占空因數(shù)使得輸出電壓UO在30V～36V范圍內(nèi)可調(diào)；微控制器與鍵盤顯示構(gòu)成了控制顯示模塊，能對輸出電壓進行鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整，并顯示輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能，形成了良好的人機界面。

關(guān)鍵詞：DC-DC變換器，脈寬調(diào)制器（PWM）

方案論證
- DC-DC主回路拓撲

適合本系統(tǒng)的DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)為單端反激式DC-DC變換器，利用UC3824芯片作為控制核心，該芯片抗電壓波動能力強，并可使負載調(diào)整率得到明顯改善，而且其頻響特性好，穩(wěn)定裕度大，過流限制特性好，具有過流保護和欠壓鎖定功能。

控制方法及實現(xiàn)方案

手動輸出電壓調(diào)節(jié)采用電位器改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦砀淖冚敵鲭妷�，使其滿足題目要求，該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便。

鍵盤設(shè)定通過單片機改變模擬開關(guān)接通通道，選取取樣回路的電阻節(jié)點位置，改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦砀淖冚敵鲭妷�，實現(xiàn)發(fā)揮部分的鍵盤設(shè)定功能。

提高效率的方法及實現(xiàn)方案

在DC-DC變換器中，主要消耗功率的元件有主回路的開關(guān)管、續(xù)流二極管、儲能電感等部件。本設(shè)計中提高效率的措施主要有：

通過增加電感線徑減小電感阻值；

采用低內(nèi)阻的高效率MOSFET作為主回路的開關(guān)元件；

采用高速低正相壓降的肖特基二極管降低其功耗。

電路設(shè)計與參數(shù)計算
- 電路整體設(shè)計

本設(shè)計以DC-DC變換器為核心，輔以隔離變壓、整流濾波、控制顯示等功能模塊，完成開關(guān)穩(wěn)壓電源各項功能（見圖1 系統(tǒng)框圖）。

圖1 系統(tǒng)框圖

通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變占空比實現(xiàn)輸出電壓的變化，使其滿足題目要求（見圖2 電路原理圖）。

圖2 電路原理圖

主回路器件的選擇及參數(shù)計算

開關(guān)電路核心電路（見圖3）。

圖3開關(guān)電路核心電路

在主回路的器件選擇中主要是電感和電容，其中電感的選擇方法計算如下：

各參數(shù)定義：

Ioff：場效應(yīng)管關(guān)閉時流經(jīng)電感的電流

Ion：場效應(yīng)管導(dǎo)通時流經(jīng)電感的電流

Vin：經(jīng)整流濾波后輸出電壓

Vo：輸出電壓

VL：電感兩端電壓

T：開關(guān)周期

Ton：一個周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通時間

Toff：一個周期內(nèi)開關(guān)關(guān)閉時間

D：占空因數(shù)

流經(jīng)電感的電流表達式：i(t)=i(0)+∫VL/Ldt

MOSFET導(dǎo)通時流經(jīng)電感的電流：iL=Ioff+∫VL/Ldt=Ioff+VL*t/L

MOSFET關(guān)閉時流經(jīng)電感的電流：iL=Ion-∫(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，則：

Ion=Ioff+Vin*Ton/L (1)

Ioff=Ion-(Vo-Vin)*Toff/L (2)

由(1)(2)兩式可得：

Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)

上式即為開關(guān)電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。

在導(dǎo)通期間電路消耗的能量為：

Eon=∫P(t)dt=∫i(t)Vindt=∫(Ioff+Vin*t/L)Vindt= Pout*T，得:

Ioff=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton

在開關(guān)電路的導(dǎo)通和關(guān)閉時期，電感的電流應(yīng)是連續(xù)的，需滿足：Ioff>=0則：L>=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf

當D=1/2時，Vo=2Vin,上式右邊取最大值，此時：L>=Vo2/32Poutf

題目要求：輸入電壓Vin的范圍是15V到21V,輸出電壓Vo的范圍是30V到36V。

由于經(jīng)整流濾波后電壓會有所提高，一般滿足：

Vinmin=15*1.2V=18V

Vinmax=21*1.414-1.5=28V

Vomin=30V

Vomax=36V

于是：

Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067

Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要達到50%。

若取f=100kHz,Iomin=0.1A，則可計算出Lmin的取值可為0.1mH。

控制電路設(shè)計與參數(shù)計算

通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變占空比，實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié).

為滿足輸出電壓在30~36V可調(diào)，則R5、Rw、R6滿足如下方程組

VOMAX=VREF[1+(R6+RW)/(R5+R6+RW)]

VOMIN=VREF[1+R6/(R5+R6+RW)]

經(jīng)計算可得R5=27KΩ,Rw=5KΩ,R6=2KΩ

保護電路設(shè)計與參數(shù)計算

TL3824芯片內(nèi)部有一引腳Isense，外接電阻和電容，即可實現(xiàn)過電流和過電壓保護功能。

根據(jù)TL3842的參數(shù)，Isense端的保護電壓為1V，而流過MOSFET的峰值電流位3.8A，由此可計算出電流傳感的電阻為：

RS=1V/3.8A≈0.25Ω

另外可取濾波回路的

R =1KΩ C=0.1μF

數(shù)字設(shè)定及顯示電路的設(shè)計

使用單個微控制芯片AT89S52就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能，電路簡單，使用方便，性能穩(wěn)定。其原理圖如下所示。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用分任務(wù)模塊式，分別為控制，鍵盤、顯示模塊完成賽題的發(fā)揮要求�？傮w軟件流程圖（見圖2 軟件流程圖）

圖2 軟件流程圖設(shè)計方法

將七個等值的電阻串聯(lián)起來，并用模擬開關(guān)分別與之相連，通過單片機控制模擬開關(guān)，即可調(diào)整脈沖的占空比，從而調(diào)整輸出電壓并實現(xiàn)電壓的步進值為1。把輸出電壓經(jīng)分壓后送到A/D,然后通過數(shù)碼管顯示其電壓值。測電流時只需在輸出端接一個精密電阻，把電流值轉(zhuǎn)化為電壓值然后輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)碼管顯示其電流值。

測試方法與數(shù)據(jù)
- 測試方法

測試輸出電流電壓時，采用最大阻值為20Ω的滑動變阻器（10A /200W）作為負載，在額定功率下，用數(shù)字萬用表測量其電壓電流值。

測試電壓調(diào)整率時，通過調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器使輸入電壓從15V變到21V，在額定負載下，測量輸出電壓的變化。

測試負載調(diào)整率時，在U2=18V的條件下，改變負載阻值使輸出電流從0A變到2A，測量輸出電壓的變化。

測試輸出噪聲紋波電壓峰-峰值時，在U2=18V,UO=36V,IO=2A條件下，利用模擬示波器觀察輸出波形。

測試DC-DC變換器的效率時，用數(shù)字萬用表測量輸入電壓電流、輸出電壓電流，根據(jù)?=PO/PIN 即可算出DC-DC變換器的效率。

測試過流保護時，調(diào)節(jié)負載使輸出電流達到2.5A，用數(shù)字萬用表測其輸出電壓。

測試儀器

測試使用的儀器設(shè)備如表1所示

表1 測試使用儀器與設(shè)備

序號	儀器名稱型號、規(guī)格	主要技術(shù)指標	數(shù)量
1	模擬示波器GOS6051	50MHz	1
2	函數(shù)發(fā)生器GFG-8016G	2M Hz	1
3	數(shù)字萬用表FLUKE111	4位	1

測試數(shù)據(jù)

輸出電流電壓測試

通過調(diào)節(jié)滑動變阻器可使輸出電壓在29.58V到36.80V之間變化，其測試數(shù)據(jù)如下所示

序號	1	2	3	4	5	6	7
電壓（V）	29.58	31.00	32.00	33.01	34.00	35.00	36.00
電流（A）	1.999	2.000	1.998	2.001	2.002	1.990	1.900

電壓調(diào)整率測試

輸入電壓	15	17	19	21
輸出電壓	35.70	35.90	36.10	36.30

電壓調(diào)整率=

=1.4%，滿足題目基本要求。

負載調(diào)整率測試

輸出電流	0.000	0.500	1.000	1.500	2.000	2.500
輸出電壓	36.10	36.05	35.95	35.90	35.00	10.00

負載調(diào)整率=

=3.05%，滿足題目基本要求。

輸出噪聲紋波電壓峰-峰值測試

把輸出電壓接到模擬示波器輸入端，從輸出波形大致可以看出輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP=0.6V,滿足題目基本要求。

DC-DC變換器的效率測試

輸入電壓（V）	15.00	16.00	17.00	18.00	19.00	20.00	21.00
輸入電流（A）	6.800	6.000	5.501	5.200	5.000	4.800	4.600
輸出電壓（V）	35.90	36.00	36.01	36.00	35.99	36.00	36.07
輸出電流（A）	1.990	2.010	2.000	1.998	1.980	1.900	2.000
效率（%）	70.04	75.38	77.02	76.80	75.01	75.33	74.68