【導(dǎo)讀】開關(guān)電源具有三大模塊，隔離變壓器、整流濾波、DC-DC變換網(wǎng)絡(luò)。DC-DC變換器無論在哪個(gè)電路設(shè)計(jì)中都是關(guān)鍵所在，DC-DC變換器包含脈沖變壓器、儲(chǔ)能器件、濾波電路、輸出整流器、開關(guān)器件等功率器件及控制模塊。DC-DC的核心設(shè)計(jì)是控制模塊。而控制模塊大多使用PWM調(diào)制芯片。
芯片內(nèi)部集成了振蕩器(由外接電阻電容來決定頻率)，誤差比較器，PWM調(diào)制器等，有的甚至有保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路。在此情況下用集成芯片外加少量的電路即可構(gòu)成開關(guān)電源，穩(wěn)定性能較好，控制簡(jiǎn)單，芯片功耗幾乎可以忽略不計(jì)，且成本低。過流保護(hù)可以使用電流取樣電阻串接在負(fù)載上。當(dāng)取樣的電流超過指定的范圍，立即切斷負(fù)載，或者降低輸出電壓，然后過一段時(shí)間再自動(dòng)啟動(dòng)，接上負(fù)載，由繼電器來控制負(fù)載的連通性。同時(shí)用A/D采樣，經(jīng)過單片機(jī)處理后顯示當(dāng)前輸出電流和電壓。還擴(kuò)展了鍵盤來實(shí)現(xiàn)電壓步進(jìn)和預(yù)置，設(shè)置蜂鳴器實(shí)現(xiàn)過流時(shí)報(bào)警。
開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)
開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。
整流濾波電路如圖2，在開機(jī)瞬間，濾波電容等效為短路，可串接0.1Ω限流電阻保護(hù)整流橋。此設(shè)計(jì)最大輸出功率72瓦特，電網(wǎng)電壓低到15V輸入時(shí)(整流后可達(dá)到18V)，加上最不利效率為70%，則輸入端功率經(jīng)計(jì)算為102W，整流濾波后輸出的電流約5.6A，取6A電流。用普通整流二極管不能滿足要求，故用承受電流較大的硅橋。為達(dá)到可以接受的紋波系數(shù)，濾波電容的容值需要較大。考慮到其它無用功耗，取P=102W，經(jīng)計(jì)算C≈30000uF，這時(shí)候紋波系數(shù)低至2.5%，但電容體積太大，DC—DC變換級(jí)對(duì)紋波系數(shù)的要求可以降低，取10000uF，紋波約8%，可以滿足要求。大電容濾波還需并接瓷片電容，來抑制尖峰電壓。
Boost升壓型電路的設(shè)計(jì)
主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇非隔離型中Boost型升壓斬波電路，如圖3。假設(shè)C和L足夠大，輸入輸出電壓，即為常數(shù)。據(jù)推理電感兩端的電壓值也為常數(shù)，記電感兩端的電壓值是VL，經(jīng)過L的電流記為IL，電流變化正增量記為△i+，電流變化的負(fù)增量記為△i-。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，續(xù)流二極管關(guān)斷，此時(shí)電源向電感充電儲(chǔ)存能量，忽略開關(guān)管的壓降。則由電感電流不可以突變、法拉第電磁感應(yīng)公式和基爾霍夫電壓定律推導(dǎo)出：增量電流△i+和時(shí)間△t成正比，呈線性上升趨勢(shì)，與電感成反比。當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，忽略續(xù)流二極管導(dǎo)通電壓，輸入端電源電壓與電感器L中自感電動(dòng)勢(shì)正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載R供電，同時(shí)對(duì)電容器C充電。同理推導(dǎo)出：負(fù)增量電流與電感值成反比，與關(guān)斷時(shí)間成正比。下降是從上個(gè)時(shí)間充電后的電流點(diǎn)開始線形下降的。當(dāng)動(dòng)態(tài)平衡后，△i+=-△i-，經(jīng)過占空比計(jì)算公式推導(dǎo)后得：在設(shè)計(jì)中輸入15V～21V，整流濾波后可得約18V～25V的直流電壓，而設(shè)計(jì)要求輸出為30V～36V。那么當(dāng)輸入是18V變換到36V時(shí)，升壓比最大，則占空比最大，記為α1，從25V變換到30V時(shí)，升壓最小，則占空比最小，記為α2，經(jīng)過推算：α2=1/6，α1=1/2。
此設(shè)計(jì)采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。其內(nèi)部框圖如圖4，UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8個(gè)引腳，各腳功能如下：①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性；②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測(cè)輸入端，當(dāng)檢測(cè)電壓超過1V時(shí)停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài)；④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；⑤腳為公共地端；⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns驅(qū)動(dòng)能力為±1A；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；⑧腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA的負(fù)載能力。輸入端接Rl再輸入到芯片電源端，由于UC3842啟動(dòng)電壓需要16V，輸入經(jīng)整流濾波后至少有18V左右，可保證正常啟動(dòng)。串聯(lián)電阻Rl取100Ω或不用R1，直接接至18V電源也可正常工作。UC3842振蕩器可以工作高達(dá)500kHz，經(jīng)過計(jì)算選擇較折中的頻率40kHz取Rt=10k，Ct=4.7nF，Rt接在振蕩端和參考電壓8腳處，4腳退耦電容C3取0.1uF。
過流保護(hù)電路
用單片機(jī)和ADC0832來采樣。采樣電阻Rss=0.1Ω，用溫度系數(shù)很小的繞線電阻，但不能直接采樣Rss兩端的電壓，因?yàn)檫\(yùn)放不能輸入比電源電壓大的信號(hào)，所以要設(shè)計(jì)恒降壓電路，將Rss兩端的電壓同時(shí)減去一個(gè)常數(shù)，再進(jìn)行差分放大，如圖5。
總結(jié)
開關(guān)電源是公認(rèn)的高效電源變換電路，開關(guān)電源電路系統(tǒng)結(jié)合軟硬件，線路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)精巧。經(jīng)研究設(shè)計(jì)證明，制作出的樣品經(jīng)測(cè)試后，有較好的穩(wěn)壓效果，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
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