標(biāo)題: UC3842單端反激式DC-DC變換器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 附PCB文件,電賽資料 [打印本頁(yè)]
作者: 為之則易    時(shí)間: 2018-12-2 17:14
標(biāo)題: UC3842單端反激式DC-DC變換器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 附PCB文件,電賽資料
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開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（E題）
摘   要
該電源以單端反激式DC-DC變換器為核心。市電通過(guò)自耦式調(diào)壓器，隔離變壓器，整流濾波后產(chǎn)生直流電壓，經(jīng)DC-DC變換得到題目所需輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。DC-DC變換器采用脈寬調(diào)制器（PWM）UC3842，通過(guò)調(diào)節(jié)占空因數(shù)使得輸出電壓UO在30V～36V范圍內(nèi)可調(diào)；微控制器與鍵盤顯示構(gòu)成了控制顯示模塊，能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，并顯示輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能，形成了良好的人機(jī)界面。
關(guān)鍵詞：DC-DC變換器，脈寬調(diào)制器（PWM）

適合本系統(tǒng)的DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單端反激式DC-DC變換器，利用UC3824芯片作為控制核心，該芯片抗電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，并可使負(fù)載調(diào)整率得到明顯改善，而且其頻響特性好，穩(wěn)定裕度大，過(guò)流限制特性好，具有過(guò)流保護(hù)和欠壓鎖定功能。
手動(dòng)輸出電壓調(diào)節(jié)采用電位器改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦?lái)改變輸出電壓，使其滿足題目要求，該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。
鍵盤設(shè)定通過(guò)單片機(jī)改變模擬開(kāi)關(guān)接通通道，選取取樣回路的電阻節(jié)點(diǎn)位置，改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦?lái)改變輸出電壓，實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分的鍵盤設(shè)定功能。
在DC-DC變換器中，主要消耗功率的元件有主回路的開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管、儲(chǔ)能電感等部件。本設(shè)計(jì)中提高效率的措施主要有：
通過(guò)增加電感線徑減小電感阻值；
采用低內(nèi)阻的高效率MOSFET作為主回路的開(kāi)關(guān)元件；
采用高速低正相壓降的肖特基二極管降低其功耗。
本設(shè)計(jì)以DC-DC變換器為核心，輔以隔離變壓、整流濾波、控制顯示等功能模塊，完成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源各項(xiàng)功能（見(jiàn)圖1 系統(tǒng)框圖）。
圖1 系統(tǒng)框圖
通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化，使其滿足題目要求（見(jiàn)圖2 電路原理圖）。
圖2 電路原理圖
開(kāi)關(guān)電路核心電路（見(jiàn)圖3）。
圖3開(kāi)關(guān)電路核心電路
在主回路的器件選擇中主要是電感和電容，其中電感的選擇方法計(jì)算如下：
各參數(shù)定義：
Ioff：場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)流經(jīng)電感的電流
Ion：場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)電感的電流
Vin：經(jīng)整流濾波后輸出電壓
Vo：輸出電壓
VL：電感兩端電壓
T：  開(kāi)關(guān)周期
Ton：一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間
Toff：一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)間
D：占空因數(shù)
流經(jīng)電感的電流表達(dá)式：i(t)=i(0)+∫VL/Ldt
MOSFET導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)電感的電流：iL=Ioff+∫VL/Ldt=Ioff+VL*t/L
MOSFET關(guān)閉時(shí)流經(jīng)電感的電流：iL=Ion-∫(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，則：
Ion=Ioff+Vin*Ton/L                                                        (1)
Ioff=Ion-(Vo-Vin)*Toff/L                                          (2)
由(1)(2)兩式可得：
Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)
上式即為開(kāi)關(guān)電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。
在導(dǎo)通期間電路消耗的能量為：
Eon=∫P(t)dt=∫i(t)Vindt=∫(Ioff+Vin*t/L)Vindt= Pout*T，得:
Ioff=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton
在開(kāi)關(guān)電路的導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)期，電感的電流應(yīng)是連續(xù)的，需滿足：Ioff>=0則：L>=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf
當(dāng)D=1/2時(shí)，Vo=2Vin,上式右邊取最大值，此時(shí)：L>=Vo2/32Poutf
題目要求：輸入電壓Vin的范圍是15V到21V,輸出電壓Vo的范圍是30V到36V。
由于經(jīng)整流濾波后電壓會(huì)有所提高，一般滿足：
Vinmin=15*1.2V=18V
Vinmax=21*1.414-1.5=28V
Vomin=30V
Vomax=36V
于是：
Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067
Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要達(dá)到50%。
若取f=100kHz,Iomin=0.1A，則可計(jì)算出Lmin的取值可為0.1mH。
通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié).
為滿足輸出電壓在30~36V可調(diào)，則R5、Rw、R6滿足如下方程組
VOMAX=VREF[1+(R6+RW)/(R5+R6+RW)]
VOMIN=VREF[1+R6/(R5+R6+RW)]
經(jīng)計(jì)算可得R5=27KΩ,Rw=5KΩ,R6=2KΩ
保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算
TL3824芯片內(nèi)部有一引腳Isense，外接電阻和電容，即可實(shí)現(xiàn)過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)功能。
根據(jù)TL3842的參數(shù)，Isense端的保護(hù)電壓為1V，而流過(guò)MOSFET的峰值電流位3.8A，由此可計(jì)算出電流傳感的電阻為：
RS=1V/3.8A≈0.25Ω
另外可取濾波回路的
R =1KΩ  C=0.1μF
     使用單個(gè)微控制芯片AT89S52就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能，電路簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定。其原理圖如下所示。
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分任務(wù)模塊式，分別為控制，鍵盤、顯示模塊完成賽題的發(fā)揮要求。總體軟件流程圖（見(jiàn)圖2 軟件流程圖）
圖2 軟件流程圖設(shè)計(jì)方法
將七個(gè)等值的電阻串聯(lián)起來(lái)，并用模擬開(kāi)關(guān)分別與之相連，通過(guò)單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)，即可調(diào)整脈沖的占空比，從而調(diào)整輸出電壓并實(shí)現(xiàn)電壓的步進(jìn)值為1。把輸出電壓經(jīng)分壓后送到A/D,然后通過(guò)數(shù)碼管顯示其電壓值。測(cè)電流時(shí)只需在輸出端接一個(gè)精密電阻，把電流值轉(zhuǎn)化為電壓值然后輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)數(shù)碼管顯示其電流值。
測(cè)試輸出電流電壓時(shí)，采用最大阻值為20Ω的滑動(dòng)變阻器（10A /200W）作為負(fù)載，在額定功率下，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量其電壓電流值。
測(cè)試電壓調(diào)整率時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器使輸入電壓從15V變到21V，在額定負(fù)載下，測(cè)量輸出電壓的變化。
測(cè)試負(fù)載調(diào)整率時(shí)，在U2=18V的條件下，改變負(fù)載阻值使輸出電流從0A變到2A，測(cè)量輸出電壓的變化。
測(cè)試輸出噪聲紋波電壓峰-峰值時(shí)，在U2=18V,UO=36V,IO=2A條件下，利用模擬示波器觀察輸出波形。
測(cè)試DC-DC變換器的效率時(shí)，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量輸入電壓電流、輸出電壓電流，根據(jù)?=PO/PIN 即可算出DC-DC變換器的效率。
測(cè)試過(guò)流保護(hù)時(shí)，調(diào)節(jié)負(fù)載使輸出電流達(dá)到2.5A，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)其輸出電壓。
測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表1所示
表1 測(cè)試使用儀器與設(shè)備
序號(hào)
儀器名稱型號(hào)、規(guī)格
主要技術(shù)指標(biāo)
數(shù)量
1
模擬示波器GOS6051
50MHz
1
2
函數(shù)發(fā)生器GFG-8016G
2M Hz
1
3
數(shù)字萬(wàn)用表FLUKE111
4位
1

輸出電流電壓測(cè)試
通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可使輸出電壓在29.58V到36.80V之間變化，其測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示
序號(hào)
1
2
3
4
5
6
7
電壓（V）
29.58
31.00
32.00
33.01
34.00
35.00
36.00
電流（A）
1.999
2.000
1.998
2.001
2.002
1.990
1.900

電壓調(diào)整率測(cè)試  
輸入電壓
15
17
19
21
輸出電壓
35.70
35.90
36.10
36.30
電壓調(diào)整率==1.4%，滿足題目基本要求。
負(fù)載調(diào)整率測(cè)試
輸出電流
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
輸出電壓
36.10
36.05
35.95
35.90
35.00
10.00
負(fù)載調(diào)整率==3.05%，滿足題目基本要求。
輸出噪聲紋波電壓峰-峰值測(cè)試
把輸出電壓接到模擬示波器輸入端，從輸出波形大致可以看出輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP=0.6V,滿足題目基本要求。
DC-DC變換器的效率測(cè)試
輸入電壓（V）
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
輸入電流（A）
6.800
6.000
5.501
5.200
5.000
4.800
4.600
輸出電壓（V）
35.90
36.00
36.01
36.00
35.99
36.00
36.07
輸出電流（A）
1.990
2.010
2.000
1.998
1.980
1.900
2.000
效率（%）
70.04
75.38
77.02
76.80
75.01
75.33
74.68
從上表可看出，當(dāng)U2=18V,UO=36V,IO=2A時(shí)，DC-DC變換器的效率為76.8%，滿足題目基本要求。
過(guò)流保護(hù)功能測(cè)試
輸出電流（A）
2.300
2.500
2.700
輸出電壓（V）
15.00
10.00
9.00
從上表可以看出，在輸出電流超過(guò)2A時(shí)，輸出電壓明顯下降，起到過(guò)流保護(hù)作用。

電阻在溫度上升時(shí)阻值會(huì)變小，使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差。
整個(gè)電路板由手工焊接完成，其余器件在單面板上完成布局和布線，無(wú)法避免線路之間與外界的電磁干擾，從而導(dǎo)致一定的誤差。
選用溫度變化系數(shù)相對(duì)較小的電阻，減小計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差。




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