-
中北大学
课
程
设
计
说
明
书
学生姓名
:
学
院
:
专
业
:
题
目
:
学
号：
2015
年
7
月
1
日
目录
1
课程设计目的
····················
1
2
课程设计内容和要求
·················
1
2.1
设计内容
·························
1
2.2
设计要求
·························
1
3
设计方案及实现情况
·················
1
3.1
设计方案及论证
······················
1
3.1.1 DC-
DC
主回路拓扑
···················
1
3.1.2
控制方案选择
·····················
2
3.2
工作原理及框图
······················
2
3.2.1
Boost
升压主电路
···················
2
3.2.2
开机保护电路
·····················
4
3.2.3
开关管保护电路
····················
4
3.2.4
输出滤波和输出过流保护
················
4
3.2.5
KL26
主控电路及采集
·················
5
3.2.6
键盘输入及显示
····················
6
3.3
效率分析及计算
······················
6
3.4
硬件电路原理图
······················
7
3.5
仿真分析
·························
7
3.6
PCB
版图设计
························
8
3.7
系统测试
·························
8
3.7.1
测试使用的仪器
····················
8
3.7.2
测试方法
·······················
8
3.7.3
测试数据
·······················
9
3.7.4
指标完成
························
9
4
课程设计总结
····················
9
参考文献
·······················
9
1
课程设计目的
1.
< br>学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握开关电源的工作原理。
2.
掌握
C
语言开发设计，
熟悉单片机的工作原理。
3.
掌握基于单片机系统的开发设计。
2
课程设计内容和要求
2.1
设计内容
设计并制作一个开关稳压电源。输入
220V
交流电，
输出
30V~36V
可调直
流电。通过液晶屏显示。
2.2
设计要求
基本要求：
（在电阻负载条件下，使电源满足下述要求）
1
、输出电压
U
O
可
调范围：
30V
～
36V
；
2
、最大输出电流
I
Omax
：
2A
；
3
、
U
2
从
15V
变到
21V
时，电压调整率
S
U
≤
2%
< br>（
I
O
=2A
< br>）；
4
、
I
O
从
0
变到
2A
时，负载调整率
S
I
≤
5%
（
U
2
=18V
）；
5
、输出噪声纹波电压峰
-
峰值
U
OPP
< br>≤
1V
（
U
2
=18V,
U
O
=36V,
I
O
=2A
）；
6
、
DC-DC
变换器的效率≥
70%
（
U
2
=18V,
U
O
=36V,
I
O
=
2A
）；
发挥部分：
1
、进一步提高电压调整率，使
S
U
≤
0.2%
（
I
O
=2A
）
；
2
、进
一步提高负载调整率，使
SI
≤
0.5
%
（
U2=18V
）
< br>；
3
、提高效率，使效率≥<
/p>
85%
（
U2=18V,UO=36V,
IO=2A
）
；
4
、能对输出电压进行键盘设定和步进调整，同时显示输出电压电流。
3
设计方案及实现情况
3.1
设计方案及论证
3.1.1
DC-DC
主回路拓扑
方案一：
图
1
是间接直流变
流电路：
结构如图
1-1
所示，
可以实现输出端与
输入端的隔离，
适合于输入
电压与输出电压之比远小于或远大于
1
的情形，
但由
于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。
1
图
1
间接直流电路
方案二：
Boost
升压斩波电路：
拓扑结构如图
1-2
所示。开关的开通和关
断受外部
PWM
信号控制，
电感<
/p>
L
将交替地存储和释放能量，
电感
L
储能后使电压
泵
升
，
而
电
容
C
可
将
输
出
电
压
保
持
住
，
输
< br>出
电
压
与
输
入
电
压
的
关
系
为
UO=
(ton+toff)
，
通过改变
PW
M
控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。
该电路采取
直接直流变流的方式实现升压，
电路结构较为简单，
损耗较小，
效率
较高。
（如图
2
）
L
E
VD
C
U
O
R
L
图
2
boost
升压电路
综合比较，我们选择方案二。
3.1.2
控制方案选择
方案一：
利用
PWM
专
用芯片产生
PWM
控制信号。
此法较易
实现，
工作较稳定，
但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整
。
方案二：
利用
KL26
单片机产生
PWM
控制信
号。
让单片机根据反馈信号对
PWM
信
号做出相应调整以实现稳压输出。
这种方案实现起来较为灵活，
可以通过调试
针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。
< br>
我们选择方案二
。
3.2
工作原理及框图
3.2.1 Boost
升压主电路
图
3
是
Boo
st
升压电路包括驱动电路和
Boost
升压基本电路。
电力晶体管（
GTR
）耐
压高、
工作频率较低、
开关损耗大
；
电力场效应管
（
Power
MOSFET
）
开关损耗小、
工作频率较高。
从工作频率和降低损耗的角度考虑，
选
择电力场效应管作为开关
管
IRF540
。选择
ESAD85M-009
型肖特基二极管，其导通压降
小，通过
1 A
电流
时仅为
0.35V
，并且恢复时间短。实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二
极
管并联。
2
（
1
）
电感值的计算：
L
B
U
?
U
O
?
U
IN
?
IN
2
mI
O
fU
O
2
< br>?
其中，
m
< br>是脉动电流与平均电流之比取为
0.25
，开关频率
f=20 kHz,
输出电
压为
36V
时，
L
B
=527.48
μ
H
，
取
530
μ
H
。电感线径的计算：最大电流
I
L
为<
/p>
2.5A
，
d
2
电流密度
J
取
4 A/mm
2
，线径为
d,
则由
J
*
?
（
）
?
I
L
得
d=0.892 mm,
工作频率
2
为
20kHz,
需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免
了趋肤
效应导致漆包线有效面积的减小。
（
2
）电容的参数计算：
C
B
?
I
（
O
U
O
?
U
IN
）
U
O
f
?
U
O
其中，Δ
U
O
为负载电压变化量，取
20 mV,f=20kHz,U
O
=36V
时
,C
B
=1465
μ
F,
取为
2000
μ
F
，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻
（
ESR
）
，起到减小输出电
压纹波的作用，更好地实现稳压。
（
3
）
boost
损耗计算：
输出电流有效值
I
O<
/p>
?
RMS
?
1<
/p>
.
13
?
I
IN
?
D
（
1
?
D
）
代入数据得
I
O-RMS
=2.069 A
而电容的损耗
P
< br>CO
1
?
I
O
?
RMS
?
ESR
/
2
等效串联电阻
ESR
取为
10 m
Ω，代入得
P
CO1
< br>=0.0428 W
2
图
3
主回路
3
3.2.2
开机保护电路
在直流输入端串联一支保险丝（
250V
，
5A
）
，从而实现过流保护
< br>,
反接保护功
能由二极管和保险丝实现。用
NTC
电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，当上电
瞬
间，电阻很大，从而对其防止浪涌电流产生。
（如图
4
）
图
4
开机保护电路
3.2.3
开关管保护电路
利用
IR2302
的欠压保护功能，对其电源电
压进行检测，当电压达到
200mv
的时候比较器输出高电平，
使
IR2302
的
SD
管角接高电平，从而使场效应管严
格工作在非饱和区或截止区，
防止场效应管进入饱和区而损坏，
为了防止尖峰电
流的
产生使芯片误判，我们采用逐波防锁电路。
（如图
5
）
图
5
开关管保护电路
3.2.4
输出滤波和输出过流保护
我们采用电
感和电容进行滤波，效果比只使用电容好，我们通过康铜丝采集
电流。当电流超过
2.5A
的时候打开继电器。从而关闭电源。输出端串接电流采
4
<
/p>
样电阻
R
TEST2
，材料选用温漂小的康铜丝。电压信号需放大后送给单片机进行
A/D
采样。过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。为了降低纹波，采用
LC
低通滤波器如图
6
。取截止频率<
/p>
f
L
=200 Hz
，电容取
470
μ
F
，由
L
?
1
2
2
4
?
f
L
C
f
L
?
1
2
< br>?
LC
代入得
L=215.80
μ
H
，取
220
μ
H
图
6
过流保护电路
3.2.5
KL26
主控电路及采集
单片机根据
电压的设定值和电压反馈信号调整
PWM
控制信号的占空比，<
/p>
实现
稳压输出，
同时，
< br>单片机与采样电路相结合，
将为系统提供过流保护、
过热
保护、
过压保护等措施，并实现输出电压、输出电流和输入电压的测量和显示。
PWM
信号占空比
D
?
1
?
U
IN
；
U
O
当
U2=
15V
，
UO=36V
时，
U
IN
=1.2*U
2<
/p>
-2V=16V
，
< br>最大值
D
MAX
=0.556<
/p>
；
当
U2=2
1V
，
UO=30V
时，
U
IN
=1.4*U
2
-2V=27.4V
，最小值
D
MIN
=0.087
系统对于单片机
A/D
采样精度的要求：题目中最高的精度要求为
0.2%
，欲
达到这一精度，
A/D<
/p>
精度要达到
1/500
，即至少为
9
位
A/D
，
MP430
内置
A/D
为
12
位，只要合理设定测量范围，完全可以达到题目的精度
要求。
5
3.2.6
键盘输入及显示
分别通过键盘和
LCD
实现数字设定和显示。键盘用来设定和调整输出电压；
输出电压、输出电流和输入电压的量值通过
LCD
显示。
3.3
效率分析及计算
（
U
2
=18
V,
输出电压
U
O
=36V,
输出电流
I
O
=2A
）
DC-DC
电路输入电压
U
IN
< br>=1.2*U
2
-2V=19.6V
，信号占空比
D
≈
1-U
IN
/U
O
=0.45
6
，
输入电压有效值
I
IN
=I
O
/
（
1-D
）
=3.676A
，
输出功
率
P
O
=U
O
*I
O
=72 W
< br>下面计算电路中的损耗
P
损耗
：
Boost
电路中电感的损耗：
P
DCR
1
?
I
IN
?
DCR
1
，
其中，
DCR
1
为电感的直流电阻，取为
50 m
Ω，代入可得
P
DCR1
=0.68 W
Boost
电路中开关管的损耗
开关损耗：
P
SW
=0.5*U
IN
*I
IN
（
t
r
+t
f
）
*f
2
其中，
t
r
是开关上升时间，为
< br>190ns,t
f
是开关下降时间，为
< br>110ns,f
是开关
频率，为
20 kHz,
代入可得
P
SW
=0.2160 W
导通损耗
P
< br>（
R
DSON
?
1
.
3
?
R
SNS
））
C
?
D
（
I
IN
2
其中，导通电阻
R
DSON
=77
m
Ω，电流感应电阻
R
SNS
取
0.1
Ω，代入得
P
C
=1.23
W
肖特基二极管的损耗
<
/p>
流过二极管的电流值与输出电流
I
0
相等，则二极管损耗
P
D
< br>?
I
O
V
D
，其中，
I
O
=2 A,
取二极管压降
V
D
为
0.35 V
，代入可得
P
D
=0.7
W
两只采样电阻上的总损耗
为
0.9
W
，综上，电路中的总损耗功率
P
损
耗
=4.5W
DC-
DC
变换器的效率
η
=
P
O
/
（
P
O
+P
损耗
）
=94%
6