開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作

一、要求
設(shè)計(jì)并制作如下圖所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

要求：在電阻負(fù)載條件下，①輸出電壓Uo可調(diào)范圍：30V~36V;②最大輸出電流LOmax:2A；③U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤0.2％(Io=2A)；④Io從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率S1≤0.5％(U2=18V)；⑤輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V(U2=18V，Uo=36V，Io=2A)；⑥D(zhuǎn)C-DC變換器的效率η≥85%(U2=18V，Uo=36V，Io=2A)；⑦具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流Io(th)=2.5±0.2A，排除過流故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)；⑧能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能；⑨變換器（含控制電路）只能由UIN端口供電，不得另加輔助電源。

二、總體分析　
首先我們需要確定出系統(tǒng)方案。在要求中，第②③④⑤⑦⑧對(duì)總體方案影響不大，這些指標(biāo)都只與器件選擇、制作工藝等因素有關(guān)，所以我們把注意力集中在剩下的三條指標(biāo)上。首先，輸出電壓Uo可調(diào)范圍30~36V，而隔離變壓器副邊輸出為15～21V，整流濾波后最大約27V，小于30V，顯然在整個(gè)電壓范圍內(nèi)都需要升壓輸出。當(dāng)然，題目沒有限制整流電路形式，還有一種解決方案就是先倍壓整流再濾波，這樣后級(jí)可采用降壓電路。

其次，要求變換器整體效率大于85％，對(duì)小功率電源來說，這個(gè)要求已經(jīng)比較高了，可以計(jì)算，在72W的額定功率、85%的效率下，變換器的損耗不能超過12.7W，要達(dá)到此項(xiàng)要求，就必須使用盡量少的器件，不論是功率主電路，還是控制測量電路，都應(yīng)該使其盡量簡單。題目還要求控制電路的電源只由整流輸出口(UIN)引出，不得另加輔助電源，這就要求自制輔助電源，且輔助電源效率不得太低，所以線性電源不是理想的選擇。
從以上分析，我們得出總體需求：主電路需要使用升壓拓?fù)?，且升壓幅度不大，電路結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，器件數(shù)量盡量少，自制輔助電源，且效率應(yīng)較高。分析還可以發(fā)現(xiàn)，輸入輸出沒有隔離要求，且輸入端已有隔離變壓器隔離，所以可以選用輸入輸出無電氣隔離的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最后我們選定基本Boost升壓電路方案，控制器選用凌陽16位單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生選用FPCA，系統(tǒng)整體方案如下圖所示。220V交流電經(jīng)降壓、整流、濾波得比較穩(wěn)定的直流電壓，直流電壓經(jīng)Boost電路升壓再濾波得平滑的直流輸出，輸出電壓、電流經(jīng)采樣輸入AD轉(zhuǎn)換芯片，由單片機(jī)PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和調(diào)壓然后輸出指令信號(hào)給FPGA、并進(jìn)行顯示，F(xiàn)PGA生成PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。當(dāng)輸出電流大于保護(hù)設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生過流保護(hù)信號(hào)，過流信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作切斷主電路同時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后延時(shí)再嘗試通電并進(jìn)行過流檢測，若過流則再斷開主電路，直到電路恢復(fù)正常為止。

三、器件選擇
首先選擇電路開關(guān)頻率fs。因?yàn)殚_關(guān)損耗幾乎與開關(guān)頻率的平方成正比，頻率過高會(huì)使損耗增加；但如果頻率太小，又會(huì)使濾波電感、電容體積過大，而且電路容易出現(xiàn)音頻噪聲。綜合考慮以后，選擇fs為20kHz。
(1)輸入電感和輸出濾波電容的選取。首先計(jì)算升壓電感的大小。整流輸出電壓的大小為19～27V，輸出電壓范圍為30—36V，由臨界電流公式Iob=Uo/2Lf8lD（1-D）(2)，當(dāng)D=1/3時(shí)，臨界電流有最大值1obm=2Uo/27Lfs，要使電感電流連續(xù)，則最小負(fù)載電流(題目要求可空載，這里取0.1A)應(yīng)大于Iobm，由此解得L≥2Uo/27fsIobm=2*36/27*30*0.1=1.33mH，取L=2mH。由輸出紋波△Uo=DUo/f8RC，R為負(fù)載電阻，此處可取15Ω，由此可計(jì)算濾波電容的大小，此處取C=4700μF。因Boost電路輸入電感直流分量很大，所以應(yīng)盡量選取不易飽和的鐵芯作為電感磁芯，繞制時(shí)應(yīng)盡量均勻緊湊，否則會(huì)增加電壓噪聲，也可直接購買。因電解電容存在較大寄生電感，所以焊接時(shí)應(yīng)使引腳盡量短，同時(shí)并聯(lián)小容量聚丙烯電容，這對(duì)減小輸出電壓尖峰很有幫助。
(2)開關(guān)管的選取。開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)承受的正向電壓為36V，考慮一定的尖峰余地，IRF3205的正向擊穿電壓為55v，導(dǎo)通電阻僅為8mΩ，所以不會(huì)擊穿同時(shí)導(dǎo)通損耗也很小。輸出整流二極管選取導(dǎo)通電阻小的肖特基二極管MBR20100，其導(dǎo)通壓降為0.7V，反向擊穿電壓為100V。MOSFET的驅(qū)動(dòng)選專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。

(3)其它元件的選取。測量控制電路的損耗跟元件的工作電壓有關(guān)，信號(hào)放大用的運(yùn)放選低電源電壓、Rail-To-Rail型運(yùn)放INA132和OPA350，可降低功耗。
單片機(jī)的功耗與CPU時(shí)鐘頻率有關(guān)，降低單片機(jī)時(shí)鐘頻率也可使損耗減小，此設(shè)計(jì)中凌陽單片機(jī)的CPU時(shí)鐘為24.576MHz。

四、制作
上圖所示為功率主電路原理圖，下圖所示為輔助電源電路圖。輔助電源電路中，LM2575與D1、L、C2組成Buck電路，R1、R2起反饋調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)R2可改變輸出電壓。此設(shè)計(jì)中共有兩路輔助電源電路，分別為+5V和+15V。經(jīng)典的Boost電路和其它電壓電流的測量電路都比較簡單，其原理不再贅述，這里就制作過程中遇到的問題及解決辦法作簡單說明。

第一個(gè)問題是整流橋（耐流能力為10A）總是被燒毀。分析可知輸入穩(wěn)態(tài)電流為SA左右，應(yīng)該不會(huì)損壞整流橋，但實(shí)際上流過整流橋的電流仿真波形(C=4700μF)如下圖所示。濾波電容越大、二極管的導(dǎo)通角0越小，流過二極管的電流峰值就越大。其值很容易大于10A。后來我們在整流橋后面串入電感L1，因?yàn)殡姼杏幸欢ɡm(xù)流作用而使二極管導(dǎo)通角變大，從而減小電流峰值以保護(hù)整流橋，改進(jìn)后整流橋不再燒毀。但是開機(jī)時(shí)保險(xiǎn)管（額定電流10A）常被熔斷，分析發(fā)現(xiàn)，開機(jī)時(shí)整流橋后的濾波電容呈瞬時(shí)短路狀態(tài)，所以開機(jī)存在較大沖擊電流，所以我們在整流橋前串聯(lián)NTC（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，圖4中的RV1）、問題也得到解決。其原理是，開機(jī)時(shí)NTC溫度較低而呈現(xiàn)很大電阻，所以開機(jī)電流不會(huì)很大，隨著電路接通，NTC發(fā)熱而呈現(xiàn)很小電阻，所以正常工作時(shí)NTC上電壓降很小，不會(huì)影響電路正常工作。

遇到的第二個(gè)問題就是電壓調(diào)節(jié)慢和穩(wěn)壓不好，剛開始我們以為是軟件調(diào)節(jié)器的問題，檢查很久后發(fā)現(xiàn)是測量電壓不準(zhǔn)造成的。在圖4電路中，顯然負(fù)載兩端電壓正比于節(jié)點(diǎn)1與2之間電壓，我們剛開始直接測量節(jié)點(diǎn)2與地之間電壓，表面上看來0.1Ω的采樣電阻影響不大，但電路中流過的電流為2A時(shí)，電流采樣電阻上的壓降為0.2V，誤差約為0.5%，可見誤差并不小。另一方面，若用此種采樣方案，會(huì)因電路中電流的不同，造成的測量誤差也不同，隨電壓變化誤差呈現(xiàn)一定的非線性，這會(huì)給電壓調(diào)節(jié)帶來麻煩。所以，我們后來改用差分的方式采集電壓，也就是使用差分運(yùn)放在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間采樣，這樣可大大減小誤差，改進(jìn)后取得了很好的效果。測量電路的各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)準(zhǔn)確可靠，采樣電阻也應(yīng)盡量準(zhǔn)確穩(wěn)定，如下圖所示的兩個(gè)采樣電路，同樣都可實(shí)現(xiàn)將輸出電壓縮小為十分之一采樣，但圖(b)電路中放大倍數(shù)的精度和穩(wěn)定度都更高，也就是應(yīng)使采樣電阻可變化程度盡量小。類似，若在AD轉(zhuǎn)換的入端需要對(duì)待測電壓或電流信號(hào)濾波，則濾波電容不宜過大，否則會(huì)影響響應(yīng)時(shí)間而造成測量滯后，自然會(huì)使調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確。這些問題雖然簡單卻影響很大，若能快速準(zhǔn)確的測量，單片機(jī)的調(diào)節(jié)將順利得多。

第三個(gè)問題就是輸出電壓有較大尖峰，這顯然是由于開關(guān)管的高頻開關(guān)造成的，尤其是關(guān)斷時(shí)，由于電路中有寄生電感，瞬間電流的切斷會(huì)在電感兩端出現(xiàn)沖擊電壓。我們的解決辦法是一方面對(duì)開關(guān)管加緩沖電路，改善關(guān)斷性能，基本原理如下圖，開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，原電路一部分電流通過快恢復(fù)二極管1）對(duì)電容C充電，使開關(guān)管兩端電壓緩慢E升，電路中電流的減小速度也有所減緩，簡單的緩沖電路可省去二極管D。具體的RCD的參數(shù)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)可參考有關(guān)開關(guān)電源書籍。另一方面是在輸出濾波電解電容兩端并接高頻特性好、寄生電感小的聚丙烯電容，且多個(gè)并聯(lián)效果更好，但是要保證引線盡量短。同時(shí)為了減小線路電感，對(duì)功率主電路，應(yīng)使走線盡量短，線徑稍粗。

再就是Boost電路本身的一個(gè)特點(diǎn)——不能開路運(yùn)行，然而題目意思顯然要求電源可以開路。因?yàn)樨?fù)載開路時(shí)，輸入電感照常周期性地不斷儲(chǔ)能和釋放能量，而能量沒有被負(fù)載消耗掉，電容電壓將持續(xù)升高即多余的能量都存儲(chǔ)到電容極板間，很快導(dǎo)致電容擊穿。一種解決辦法是加假負(fù)載，也就是說，當(dāng)檢測到電源處于空載狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)投入一個(gè)輕負(fù)載，這個(gè)負(fù)載電阻值較大，既能維持輸出電壓為給定值、本身功率損耗又較小。
以上是在制作此開關(guān)電源中遇到的問題及一些解決方案，采取這些措施并仔細(xì)調(diào)試后都達(dá)到了較好的效果。