開關穩壓電源的設計與制作

要求

設計并制作開關穩壓電源。

要求：在電阻負載條件下，①輸出電壓Uo可調范圍：30V～36V；②最大輸出電流LOmax：2A；③U2從15V變到21V時，電壓調整率SU≤0.2%（Io=2A）；④Io從0變到2A時，負載調整率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）；⑥DC—DC變換器的效率€%`≥85%（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）；⑦具有過流保護功能，動作電流Io（th）=2.5€？.2A，排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態；⑧能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調整，步進值1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數字顯示功能；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。

總體分析

首先我們需要確定出系統方案。輸出電壓Uo可調范圍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，顯然在整個電壓范圍內都需要升壓輸出。

其次，要求變換器整體效率大于85%，對小功率電源來說，這個要求已經比較高了，可以計算，在72W的額定功率、85%的效率下，變換器的損耗不能超過12.7W，要達到此項要求，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，都應該使其盡量簡單。

器件選擇

（1）輸入電感和輸出濾波電容的選取。首先計算升壓電感的大小。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D=1/3時，臨界電流有最大值1obm=2Uo/27Lfs，要使電感電流連續，則最小負載電流（題目要求可空載，這里取0.1A）應大于Iobm，由此解得

L≥2Uo/27fsIobm=2*36/27*30*0.1

=1.33mH，取L=2mH。

（2）開關管的選取。開關管Q關斷時承受的正向電壓為36V，考慮一定的尖峰余地，IRF3205的正向擊穿電壓為55v，導通電阻僅為8m€%R，所以不會擊穿同時導通損耗也很小。輸出整流二極管選取導通電阻小的肖特基二極管MBR20100，其導通壓降為0.7V，反向擊穿電壓為100V。MOSFET的驅動選專用驅動芯片IR2110.

（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，信號放大用的運放選低電源電壓、Rail—To—Rail型運放INA132和OPA350，可降低功耗。

單片機的功耗與CPU時鐘頻率有關，降低單片機時鐘頻率也可使損耗減小，此設計中凌陽單片機的CPU時鐘為24.576MHz。

制作

第一個問題是整流橋（耐流能力為10A）總是被燒毀。濾波電容越大、二極管的導通角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，因為電感有一定續流作用而使二極管導通角變大，從而減小電流峰值以保護整流橋，改進后整流橋不再燒毀。但是開機時保險管（額定電流10A）常被熔斷，分析發現，開機時整流橋后的濾波電容呈瞬時短路狀態，所以開機存在較大沖擊電流，所以我們在整流橋前串聯NTC、問題也得到解決。其原理是，開機時NTC溫度較低而呈現很大電阻，所以開機電流不會很大，隨著電路接通，NTC發熱而呈現很小電阻，所以正常工作時NTC上電壓降很小，不會影響電路正常工作。（見圖1）

遇到的第二個問題就是電壓調節慢和穩壓不好，剛開始我們以為是軟件調節器的問題，檢查很久后發現是測量電壓不準造成的。負載兩端電壓正比于節點1與2之間電壓，我們剛開始直接測量節點2與地之間電壓，表面上看來0.1€%R的采樣電阻影響不大，但電路中流過的電流為2A時，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一定的非線性，這會給電壓調節帶來麻煩。所以，我們后來改用差分的方式采集電壓，也就是使用差分運放在節點1和節點2之間采樣，這樣可大大減小誤差，改進后取得了很好的效果。測量電路的各個環節都應準確可靠，采樣電阻也應盡量準確穩定。類似，若在AD轉換的入端需要對待測電壓或電流信號濾波，則濾波電容不宜過大，否則會影響響應時間而造成測量滯后，自然會使調節不準確。這些問題雖然簡單卻影響很大，若能快速準確的測量，單片機的調節將順利得多。

第三個問題就是輸出電壓有較大尖峰，這顯然是由于開關管的高頻開關造成的，尤其是關斷時，由于電路中有寄生電感，瞬間電流的切斷會在電感兩端出現沖擊電壓。我們的解決辦法是一方面對開關管加緩沖電路，改善關斷性能，開關管Q關斷時，原電路一部分電流通過快恢復二極管對電容C充電，使開關管兩端電壓緩慢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的參數設計較復雜，設計時可參考有關開關電源書籍。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，且多個并聯效果更好，但是要保證引線盡量短。同時為了減小線路電感，對功率主電路，應使走線盡量短，線徑稍粗。

（作者單位：長春市水產品質量安全檢測中心）