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开关电源的设计 论文及原理图直流稳压电源设计

2021-10-11 本站作者 【 字体:

集成直流稳压电源的设计
一、设计要求
电源变压器只做理论设计,合理选择集成稳压器,合理设置保护电路,完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图,自制印刷板。
主要技术指标
1、同时输出±15V电压、输出电流为2A。
2、输出纹波电压小于5mV,稳压系数小于5×10-3;输出内阻小于0.1Ω。
3、加输出保护电路,最大输出电流不超过2A。
二、基本原理
1. 直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成,基本框图如图1所示。各部分电路的作用如下:

图1 直流稳压电源基本组成框图
(1) 电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。
(2)整流滤波电路
整流电路将交流电压ui 变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波,输出直流电压Ui。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图

(b)桥式整流电容滤波电路
各滤波电容C满足:RL1C=(3~5)T/2
式中T为输入交流信号周期;RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。
(3) 三端集成稳压器
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器(均属电压串联型),下面分别介绍其典型应用。
① 固定三端稳集成压器
正压系列:78XX系列,该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护,以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作,有时为改善性能也加少量元件。78XX系列又分三个子系列,即78XX、78MXX和78LXX。其差别只在输出电流和外形,78XX输出电流为1.5A,78MXX输出电流为0.5A,78LXX输出电流为0.1A。
负压系列:79XX系列与78XX系列相比,除了输出电压极性、引脚定义不同外,其他特点都相同。
② 可调式三端集成稳压器
正压系列:W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的范围内连续可调,外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。
其典型电路如图7-2-4所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器,输出电压U0的表达式为:
U0≈1.25(1+RP/R1)
式中,R1一般取值为(120~240Ω),输出端与调整压差为稳压器的基准电压(典型值为1.25V)。所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA/。
负压系列:W337系列,与W317系列相比,除了输出电压极性、引脚定义不同外,其他特点都相同。

图7-2-4 可调式三端稳压器的典型应用
2. 稳压电源的性能指标及测试方法
稳压电源的技术指标分为两种:一种是特性指标。包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等;另一种是质量指标。用来衡量输出直流电压的稳定程度。包括稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、温度系数及纹波电压等。测试电路如图7-2-6所示,可简述如下:

图7-2-6 稳压电源性能指标测试电路
⑴ 波电压
纹波电压是指叠加在输出电压U0上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值。△Uopp一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值。但因△U0不是正弦波,所以用有效值衡量其纹波电压,存在一定误差。
⑵稳压系数及电压调整率
稳压系数:在负载电流、环境温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。
电压调整率:输入电压相对变化±10%时的输出电压相对变化量,即
Ku=△U0/U0
稳压系数Su和电压调整率Ku均说明输入电压相对变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可.
⑶输出电阻及电流调整率
输出电阻:放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值,即
ro=|△U0|/|I0|
电流调整率:输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化值,即
Ki=△U0/U0
输出电阻r0和电流调整率Ki均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可.
四.设计指导
直流稳压电源的一般设计思路为:由输出电压U0、电流I0确定稳压电路形式,通过计算极限参数(电压、电流和功率)选择器件;有稳压电路所要求的直流电压(Ui)、直流电流(Ii)输入确定整流滤波电路形式,选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压Ui的有效值、电流Ii(有效值)即变压器功率.最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施.
下图为集成稳压电源的典型电路.其主要器件有变压器Tr、整流二极管VD1~VD4、滤波电容C、集成稳压器及测试用的负载电阻RL.

图7-2-7 集成稳压电源的典型电路

下面介绍这些器件的一般原则.
1.集成稳压器
稳压电路输入电压Ui的确定:
为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态,要求
UI≥Uomax +(UI-U0)min
式中(UI-U0)min 是稳压器的最小输入输出压差,典型值为3V.按一般电源指标的要求,当输入交流电压220V变化±10%时,电源应稳压.所以稳压电路的最低输入电压
U1min≈[Uomax+(UI-U0)min]/0.9.
另一方面,为保证稳压器安全工作,要求 UI≤Uomin +(UI-U0)max 式中(UI-U0)max是稳压器允许的最大输入输出压差,典型值为35V.
2.电源变压器
确定整流滤波电路形式后,由稳压器要求的最低输入直流电压Uimin计算出变压器的副边电压Ui 、副边电流Ii.
五.按指标设计电路图

1. 器件选择
电路参数计算如下:
⑴确定稳压电路的最低输入直流电压Uimin
Uimin≈[Uomax+(Ui-U0)min]/0.9
代入各指标,计算得:
Uimin≥(15+3)/0.9=20V
取值为20V.
⑵确定电源变压器副边电压、电流及功率
Ui≥Uomax/1.1. I1≥Iimax
所以我们取I1为1.1A.UI≥20/1.1=18.2V ,变压器副边功率P2≥20W
变压器的效率 =0.7,则原边功率P1≥28.6W.由上分析,可选购副边电压为19V,输出1.1A,功率30W的变压器.
⑶选整流二极管及滤波电容
因电路形式为桥式整流电容滤波,通过每个整流哦极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。已知整流二极管1N5401 ,其极限参数为URM=50V,ID=5A.
滤波电容:C1≈(3~5)T×Iimax/2U1min=(1650~2750)μF
故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。
2.压电源功耗估算
当输入交流电压增加10%时,稳压器输入直流电压最大,即
Uimax=1.1×1.1×19=22.99V
所以稳压器承受的最大压差为:22.99-5≈18V
最大功耗为:Uimax×Iimax=18×1.1=19.8W
故选用散热功率≥19.8W的散热器.
3.其他措施
如果集成稳压器离滤波电容C1较远时,应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁电路C2。接在调整端和地之间的电容C3,是用来旁电路电位器RP两端的纹波电压。当C3的电容电量为10μF时,纹波抑制比可提高20dB,减到原来的1/10.另一方面,由于在电路中接了电容C3,此时一旦输入端或输出端发生短路,C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器.为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器,在R1两端并接一只二极管VD2.
W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定的工作.但当输出端有500~5000pF的容性负载时,就容易发生自激.为了抑制自激,在输出端接一只1μF钽电容或25μF的铝电解电容C4.该电容还可以改善电源的瞬态响应.但是接上该电容后,集成稳压器的输入端一旦发生短路.C4将对稳压器的输出端放电,其放电电流可能损坏稳压器,故在稳压器的输入与输出端之间,接一只保护二极管VD1。
六.电路安装与指标测试
1.安装整流滤波电路
首先应在变压器的副边接入保险丝FU,以防电源输出端短路损坏变压器或其他器件,整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反,否则会损坏变压器.检查无误后,通电测试(可用调压器逐渐将入交流电压升到220V),用滑线变阻器作等效负载,用示波器观察输出是否正常.
2.安装稳压电路部分
集成稳压器要安装适当散热器,根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘,输入端加直流电压UI(可用直流电源作输入,也可用调试好的整流滤波电路作输入),滑线变阻器作等效负载,调节电位器RP,输出电压应随之变化,说明稳压电路正常工作.注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况.
3.总装及指标测试
将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载,测量下列各值是否满足要求:
① UI为最高值(电网电压为242V), U0为最小值(此例为+5V),测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值,并检查散热器的温升是否满足要求(此时应使输出电流为最大负载电流).
② UI为最低值(电网电压为198V), U0为最大值(此例为+15V)测稳压器输输出端压差是否大于3V,并检查输出稳压情况.
如果上述结果符合设计要求,便可按照前面介绍的测试方法,进行质量指标测试.
七、综合总结
通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.我们这次设计的这个直流稳压电源电路;采用了电压调整管(uA723)外加调整管(2SC3280)来实现电压的调整部分;还通过单片机(89C51)来实现电路的控制,也实现了扩充多功能;而稳流部分可调式三端稳压电源管来实现。
八、参考文献资料
◆<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社.。
◆<<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。
◆<<电子线路设计>>,(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社。
图可能出不来,自己另外在百度上搜图。(我也是网上找的,修改了一下)

基于AT89C52和IW1692的
智能开关电源设计与研究
3
摘 要:针对采用模拟控制的开关电源的一些问题,提出了一款以AT89C52为核
心控制器,利用了AC/DC电源控制芯片(IW1692)的数字化智能开关电源系统,并对该
系统的硬件电路和软件设计进行了介绍。通过测试,本系统较好地解决了模拟开关电
源的缺点,达到了相应的目的要求。
关键词:开关电源;智能化;数字化



0 引 言
随着开关电源技术的成熟,在有些应用场合
要求开关电源具有一定的智能,能实现精确的程
序控制,并能组网工作,以便于实时了解设备的参
数(如电压、电流)、工作状态(正常、故障)等信
息。对于采用模拟量反馈控制的开关电源,在这
些场合使用时不可避免地存在这样一些问题:
(1)负载在较大范围内变化时反馈环路不稳
定,易产生自激振荡。
(2)不能实现精确的程序控制。电池的充电
设备、TG脉冲弧焊电源设备必须按照工作规程进
行程序控制。对电源的输出要求可能为恒流恒压
或恒压限流,这样所用的电源必须能够在各种工
作状态之间自由转换,这是常规开关电源难以实
现的。
(3)伺服型开关电源常要求电源的输出受外
电路控制,而远程控制信号通常为模拟信号,在传
输过程中常常会受到外界干扰,导致控制失败。
用数字控制方式代替模拟控制,上述问题可
以得到很大的改善。
1 数字化智能开关电源的设计思路
及要求
  智能化开关电源的主要功率变换电路仍然采
用与传统开关电源相同的拓扑结构,但其反馈控
制环路不采用传统的模拟控制方式,而是采用数
字控制方式,即误差采样,脉冲宽度调制(PWM)
的调制信号的计算、生成,遥感信号的接收、处理
等控制部分电路均使用数字控制技术。通过智能
化的数字控制技术,力求解决环路的稳定性、抗干
扰性、电源远程控制性等问题。本开关电源主要技术指标:①交流输入电压
85~265 V AC宽范围输入;②直流输出电压5~
15 V连续可调;③输出电压调整率≤2.5%;④
具有输出短路控制;⑤具有电压显示功能及故障
报警指示。
2 硬件电路设计
2.1 硬件电路原理
系统原理框图如图1所示。电路的工作原理
为,市电经EM I滤波、整流滤波变成直流电送入
功率变换电路(DC/DC),功率变换电路在PWM
电路和单片机的控制下输出稳定的直流电压。用
户可根据需要通过键盘对开关电源输出的电压值
调节,单片机系统自动对电源输出电压进行数据
采样,并与用户给定数据进行比较,然后根据设置
的调整算法控制开关调整电路,使电源输出电压
符合给定值。单片机在调整电源输出电压的同时
还要检测电路的输出功率,当输出功率超过最大
功率时,就起动保护电路,实现保护功能。为了使
智能开关电源能可靠、安全地工作,本系统可设置
多重监测和保护系统,主要包括过压、欠压和短路
保护。


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2.2 主要芯片介绍
2.2.1 IW 1692
WI 1692是一种采用数字控制技术,高性能的
AC/DC电源控制器。其数字调节设计是高效率
的,内置保护功能,使外部元件较少,简化设计使
电路成本较低,电路工作可靠。WI1692无需次级
反馈电路,但能实现良好的线性负载调节;无需环
路补偿元件,但提供稳定的运行。脉冲波形分析
设计在第一环路,使得反应速度远远超过传统解
决方案,从而提高了动态负载响应。内置功率限
定功能,使变压器设计变得最优化,可以使用最普
遍的离线设计变压器绕组,并且提供宽输入电压范围,低起动电压。当输出电流大于最大负载电
流的5%时,WI1692以固定频率PWM模式运
行。当输出电流减小,开关管导通时间T
on
也减
小,当T
on
下降至T
on
2m in,芯片转换为脉冲频率调制
(PFM)模式,即轻载时电源转换为PFM模式,使
电路损耗达到最低。这些使WI1692成为最理想
电源控制的选择,并且符合最新的电源标准。
2.2.2 AT89C52
在兼顾运算能力与控制性能,并考虑设计成
本及产品投入使用的经济等因素之后,在此选用
传统的性价比高的AT89C52单片机为核心控制
器。AT89C52是一种低功耗、高性能的片内含有
8 kB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS
微控制器,使用高密度、非易失存储技术制造。芯
片上的EPROM允许在线编程或采用通用的非易
失存储编程器对程序存储器重复编程。
2.2.3 MAX1247、MAX525和74HC573
MAX1247是4通道模拟输入12位、串行输
出A/D转换器;MAX525是4通道模拟输出、12
位串行输入D/A转换器。这两种芯片特性有很
多相似之处,可以和单片机构成一个完整的4通
道测控系统。采用串入、串出,解决了单片机口线
资源不足的缺点。74HC573是八进制3态非反转
透明锁存器。
2.3 电路实现
2.3.1 开关电源电路及主要元器件选择
开关电源电路如图2所示。本部分电路主要
实现交流EM I滤波、整流滤波、钳位保护、PWM
控制、DC/DC输出,并由输入输出电阻分压进行
采样。
  (1)交流EM I滤波及整流滤波。电压输入
后由C
1
、C
2
、C
3
、C
4
及L
1
组成交流EM I滤波。
(D1~D
4
)4个二极管(GT1040)组成桥式整流电
路,后接C
5
、C
6
、R
1
及L
2
滤波电路。变压器初级
线圈取144 T,由公式N
B
NA
U in_m in=Uout_max,得次级为
18 T,辅助绕组为36 T,因为7815输入电压范围
为15~35 V。
(2)钳位保护电路。钳位电路主要用来限制
高频变压器漏感所产生的尖峰电压并减小漏极产
生的振铃电压。在MOSFET管关断瞬间由变压
器的漏感引起的尖峰电压较高,将会导致
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图2 开关电源电路
MOSFET管的损坏。R
7
、R
8
、D
5
和C
7
构成的RCD
吸收回路使MOSFET管的漏极电压限制在700 V
以下,防止MOSFET器件的损坏,另外有效地降
低音频噪声,设计时D
5
选高压稳压快速导通二极
管UF4006,C
7
选压电效应很小的聚脂薄膜电容;
R7取100~150 kΩ。
(3)数据采样电路。数据采样采用电阻分压
采样方式,输入采样电压由R
2
、R
3
、R
4
分压实现。
由于输入电压为85~265 V宽范围输入,整流滤
波后为120~370 V。而A/D转换的输入电压最
高为2.5 V。所以,
Umax
R总
×R分=U
A/d
其中,U
m ax
为输入电压最大值。
当R总=610 kΩ,R分=4 kΩ时输入A/D的最
大电压约2.43 V,经A/D转换后为十六进制
F8DH,最小为0.8 V经A/D转换后为51 EH。
同理:输出电压(5~15 V),采样电阻R
15

R16、R
17
分别为40 kΩ、20 kΩ、100Ω。经0.5~
2.5 V的A/D转换后,为十六进制范围是(333H
~FFFH)。考虑到效率原因输出短路采样电阻
R11取1.5Ω,当电流超过限定值的视为短路,起
动保护。
2.3.2 D/A、A/D及单片机控制电路
D/A、A/D及单片机电路如图3所示。电路


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从输入端以及输出端进行电压采集,通过A/D芯
片MAX1247送入单片机,单片机内部经过程序计
算把结果通过D/A芯片MAX525转换成控制电
压,控制WI1692控制PWM最终达到控制输出电
压的目的。
2.3.3 其他硬件电路
电路通过单片机输出信号,经过两个锁存器
74HC573对共阳极LED进行段选和位选操作。
通过单片机编程可达到动态显示输出电压的目
的。通过三端稳压器7815和7805获得+15 V与
+5 V的芯片供电电压,为整个电路芯片提供可
靠电源。复位及按键是单片机外部扩展电路,两
个按键可实现对输出电压的连续可调。
3 软件设计
主程序流程图如图4所示。程序开始,先检
测是否过压、欠压,再检测输入功率,由此可以计
算出输出电路是否短路。当检测到过压、欠压、短
路故障情况,程序会一直检测并且一直让PWM
控制芯片关断,同时输出显示电源故障原因。否
则起动PWM芯片并显示输出电压。检测键盘动
作,键盘动作时控制输出电压相应改变,实现电压
可调。
4 结 语
本文设计了一款基于AT89C52和IW1692的
智能开关电源,通过硬件电路及软件的有效结合,
采用数字控制技术,可以较好地解决模拟开关电
源的带负载能力差、不能实现精确控制、抗干扰能
力差等缺点,达到了对运行中的开关电源进行监
测,通过按键进行电压的连续可调,自动显示电源
输出,故障自诊断和自动保护。


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【参考文献】
[1] 童一帆,张武坤.单片机测控技术[M].北京:航空
航天大学出版社,2006.
[2] 王德财.智能高频开关电源监控系统的实现[J].电
力电子技术,2005(10):9211.
[3] 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].
北京:电子工业出版社,2005.
[4] 蔡宣三.开关电源发展轨迹[J].电子产品世界,
2006(9):10211.

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