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数字开关稳压电源 所在院系：作 者： 周 野 李晴晴 时 间：2013-8-07 数字开关稳压电源设计与制作 摘 要 本系统以Boost升压斩波电路为核心，以MSP430单片机为主控制器和PWM信号发生器，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。系统输出直流电压30V～36V 可调，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到2A，电压调整率和负载调整率低，DC-DC变换器的效率达到93.97%。能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示。 关键词：DC-DC 综合比较，我们选择方案二。 1.2 控制方法及实现方案 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键盘设定和步进调整 图1-3 系统总体框图 1.4 提高效率的方法及实现方案 1.4.1 Boost升压斩波电路中开关管的选取 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。 1.4.2 选择合适的开关工作频率 为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为20kHz。 1.4.3 Boost升压电路中二极管的选取 开关电源对于二极管的开关速度要求较高，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。与快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用于低压场合。考虑到降低损耗和低压应用的实际，选择肖特基二极管。 1.4.4 控制电路及保护电路的措施 控制电路采取超低功耗单片机MSP430，其工作电流仅280μA；显示采取低功耗LCD；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式。 2 电路设计与参数计算 2.1 Boost升压电路器件的选择及参数计算 Boost升压电路包括驱动电路和Boost升压基本电路，如图2-1所示。 (a) (b) 图2-1 Boost升压电路 PWM驱动电路 （b）Boost升压基本电路 2.1.1 开关场效应管的选择 选择导通电阻小的IRF540作为开关管，其导通电阻仅为77mΩ（VGS=10V, ID=17A）。IRF540击穿电压VDSS为55V ，漏极电流最大值为28A（VGS =10 V， 25°C），允许最大管耗PCM可达50W，完全满足电路要求。 2.1.2 PWM驱动电路器件的选择 单片机I/O口输出电压较低、驱动能力不强，我们使用专用驱动芯片TL494。其集成了全部的脉宽调制电路，外置振荡元件只有两个，有推或拉两种输出方式，最大输出电流可达500mA。 2.1.3 肖特基二极管的选择 选择MBR20200型肖特基二极管，其导通压降小，通过10A电流时仅为0.95V，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。 2.1.4 电感的参数计算: 1.电感值的计算： 其中，m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，LB=527.48μH，取530μH。 电感线径的计算：最大电流IL为2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由得d=0.892 mm,工作频率为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。 2.1.5 电容的参数计算: 其中，ΔUO为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,UO=36V时,CB=1465μF,取为2000μF，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。 2.2 输出滤波电路的设计与参数计算（见附录） 2.3 控制电路的设计与参数计算 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，实现稳压输出，同时，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 当U2=15V，UO=36V时，UIN=1.2*U2-2V=16V， 最大值DMAX=0.556； 当U2=21V，UO=30V时，UIN=1.4*U2-2V=27.4V，最小值DMIN=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