开关稳压电源

开关稳压电源

摘要

本文介绍的开关稳压电源是以数控方式产生30V～36V可调直流电压，该设计是以8051单片机产生一个标准PWM波，通过光电耦合将PWM提供给一个积分电路，然后再控制开关电源，同时单片机外接键盘，通过按键由单片机实现控制输出的步进调整要求；另外，数据的采集显示等功能都有单片机控制实现。

一、方案的选择与论证

根据题目的要求，提出以下几种系统方案。

1、方案一，如图1所示。

将220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V的直流电压加 到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控 制后可得到稳定的直流输出电压。但此开关电源为降压型开关电源，而本设计题目是升压型开关电源，所以不满足设计题目要求。

显示

键盘

EMI

滤波

电路

整流

滤波

电路

控制电路

输出

整流

滤波

反馈电路

辅助电路

半桥

式变

换器

                           图1  方案一

2、方案二，如图2所示。

滤波电路

功放电路

+15V

压控恒流元件

采用电阻

负载电路

变压整流电路

A/D转换

 

 

单

片

机

数据显示

电源

图2  方案二

在稳压电路前加入DC-DC变换器，采用脉宽调制（PWM）技术，并采用恒压差控制技术，在这种情况下，由DC-DC变换器来完成，从不稳定的直流电压到稳定的直流电压的转变，由于采用脉宽调制技术和恒压差控制技术，使得线性稳压电路两端压差减小，电路消耗大幅度下降，解决了方案一中的效率低下的问题。其次，由于使用脉宽调制技术，使得电路有了过流、过热、自动恢复等功能。

3、方案三，如图3所示。

本方案结合方案1、2的优缺点，利用单片机产生PWM波通过光电耦合实现信号源的控制的隔离。通过稳压处理后控制开关变压器，后面的输出电压测试通过A/D转换后由单片机处理输出显示。

显示

键盘

 

 

 

单

片

机

光电耦合

PWM波

A/D转换

稳压处理

采样电阻

负载电路

开关变压器

电 源

                         图3   方案三

二、 方案的确定

根据题目的要求，电源输出的电压为30V～36V，而输出电流则要求达到2A左右，这就成了一个小电压大电流的电源，一般的电源输出电压都比较低，而且电流也很小，达不到题目的要求，在控制环节，考虑到输入很容易影响输出的结果，题目要求电压调整率 ，在DC-DC变换器的效率 ，

而传统的线性电源效率只能达到30％～40％，比较以上三个方案，我们选择方案三

 三、方案的实现

1、控制部分电路

控制部分选用8051单片机控制同时也由它产生PWM波和对输出结果的显示。为了获得较好的PWM信号波源，采用单片机软件自动生成，根据后面的需要，P1.0口输出一个标准140K的方波信号，输出后通过一个高速的光点耦合器件6N137进行隔离输出，再通过一个积分电路输出控制开关电源，这部分的实现电路如图4所示。

                       图4  8051单片机控制电路

PWM波产生的部分程序如下。

PwmData0 equ xxx  ;T0计数器初值

  PwmData1 equ xxx  ;T1计数器初值

...

  mov tmod,#00010001b

  setb et0

  setb et1

  mov th0,#high(65536-PwmData0)

  mov tl0,#low(65536-PwmData0)

;******************

;可变脉宽PWM输出,T0控制占空比，T1控制脉宽（最大65536us）

tim0:

   clr et0

   clr p1.0  ;PWM输出脚

   mov th1,#high(65536-PwmData1)

   mov tl1,#low(65536-PwmData1)

   setb et1

   reti

;----------------------

tim1:

   clr et1

   setb p1.0

   mov th0,#high(65536-PwmData0)

   mov tl0,#low(65536-PwmData0)

   setb et0

   reti

2、开关电源部分

经积分后的信号输入一个由两支三极管构成的功率MOS管的缓冲和驱动电路，然后将信号传给驱动功率管MOSFET IRF9530，IRF9530作为功率开关管供电。由于IRF9530的导通电阻只有 ，功率损耗很小，同时并联一个续流二极管，这样有效的抑制输出噪声纹波电压，所以使用这种方法极大的提高了开关变压器控制信号的输入功率，由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开关电源效率可达80%~90%，

这就能实现题目要求在DC-DC变换器的效率 的指标，比普通线性稳压电源提高将近一倍，为达到题目要求的在DC-DC变换器的效率 ，我们采用开关变压器输出电压采样部分，利用两个三极管够成一个镜象电流源对电压采样，该部分构成一个脉冲调制电路，当输出电压升高时，T4的内阻下降，导致与T4并联的R3、C3的参数发生变化，从而使得T1的脉冲宽度变窄，变窄以后将降低后面的输出，降低输出后其稳压的过程与上述相反，从而达到输出电压不变。具体的实现电路如图5所示。

                    图5  开关电源电路

3、供电电源部分

隔离变压器部分由于我们实验室只备有220V~15V的变压器，没有220V~18V的变压器，在此我们就用了一个220V~15V的变压器替用，其电路图如图6所示，只可能也是后面输出电压值有些偏小的原因之一，另外单片机供电部分考虑相互影响的因素，还是另做了一个常规的±5V类型的电源供电，在此由于很简就没给出电路图。

                       图6  隔离变压器电路

四、       测试方案及结果

1、测试所用仪器

DT9202数字万用表，

MOS-620示波器，

CMC250频率计，

ME-52仿真器

TOP851烧程器0

EPROM擦除器

P4  2.00计算机一台

LENOVO喷墨式打印机一台

2、数据测试

(1)   PWM波调整与输出电压值测试，测试结果见表一。

表一  PWM波值与输出电压值

PWM频率(KHz)

输出电压(V)

     130

   30.02

     135

   31.00

     140

   31.99

     145

   33.00

     150

34.02

    155

   35.05

      160

   35.85

                 

      (2) 电压调整率测试，测试结果见表二。

表二   / 测量值

值(V)

  电压调整率

     15

           1.80%

     16

           1.75%

     17

           1.55%

     18

           1.20%

     19

           1.40%

     20

           1.80%

     21

           1.68%

 

五、              结论

本设计通过测试已基本达到题目要求，对输出的数控基本实现，DC-DC变换器的效率 的目标已实现，输出电压的采样及显示功能已实现，但由于竞赛的时间及条件的限制，电压的输出有一点的误差，