2015全国电子设计大赛开关电源类指导.ppt
基于07年开关电源题目分析,开关电源就题论题,题目,一、任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源。,题目,二、要求在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：1基本要求输出电压UO可调范围：30V36V；最大输出电流IOmax：2A；U2从15V变到21V时，电压调整率SU2%(IO=2A)IO从0变到2A时，负载调整率SI5%(U2=18V)输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC变换器的效率70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有过流保护功能，动作电流IO=2.50.2A,题目,2发挥部分进一步提高电压调整率，使SU0.2%（IO=2A）；进一步提高负载调整率，使SI0.5%（U2=18V）；进一步提高效率，使85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。其他。,题目,双击此处添加文字,三、说明DC-DC变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。U2可通过交流调压器改变U1来调整。DC-DC变换器（含控制电路）只能由UIN端口供电，不得另加辅助电源。本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于20MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）测量UOPP。本题中电压调整率SU指U2在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；负载调整率SI指IO在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；DC-DC变换器效率=PO/PIN，其中POUOIO，PINUINIIN。,题目,电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）。制作时应考虑方便测试，合理设置测试点.设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。,评分标准,评分标准,评分标准,题目分析,何为电源？答：1.电源是功率系统，是其它系统最基本的输入，有电力系统的地方就有电源。2.按照其它系统的要求，电源可以分为一下几大类：线性电源，开关（DC-DC)电源，逆变（DC-AC）电源，“顺”变（AC-DC）电源。这些当中开关电源和逆变电源是难点，也是常考点。电源一般有哪些指标？答：直流电源：输出功率，效率，精度，交流纹波，负载调整率，电压调整率。交流电源：输出功率，效率，精度，总谐波失真，频率稳定性，幅值稳定性。电源难不难？答：相比于仪器和控制，电源重在实践，但是不轻于理论。要敢于尝试，创 新。要有自己的想法和积累的经验。,题目分析,要求:输出电压UO可调范围：30V36V；最大输出电流IOmax：2A；保护功能,U2=1521V,UIN=(1.2)U2=18-26V,升压1.152倍,升压电路,题目分析,系统方案设计时最简单的方案才是最稳定的，我们不计成本，用最好的芯片力求换取最简单的方案。比如我们在测量本题的30至36V输出电压时，简单的分压跟随测量进入AD的电压是3至3.5V左右，与AD的满量程相差甚远，因此有人考虑采用线性运算电路，将30至36V转换到0至5V测量，这样甚好，但是电路相对就复杂了，我们可以用更准确的AD（如ADS1118）来测量，问题迎刃而解。所以本题我们不考虑什么反激电路，半桥电路等，我们就用最简单的BOOST电路：,题目分析,单管反激式：,半桥电路：,BOOST拓扑分析,开关导通电感电流和电感两端电压满足这样的关系：,开关关断电感电流和电感两端电压满足这样的关系：,BOOST拓扑分析,整个周期电感电流波形是这样的：,BOOST拓扑分析,以上是BOOST电路工作的两种状态，那么BOOST电路输出与输入有什么关系呢，有很多方法可以推倒出来，我们不妨以电感为对象，由能量守恒可知电感在开关导通时充的能量与开关关断时释放的能量相等。设开关导通时间为Ton，关断时间为Toff，IL为整个工作周期电感的平均电流。开关导通时电感积累的能量为 Pin=Uin*IL*Ton。开关关断时电感释放的能量为Pout=（Uo-Uin）*IL*Toff。由于Pin=Pout可得:,上式左边便是开关PWM占空比D。需要注意的是这个结果是电感电流始终不为零推倒的，实际上在不加负载时电感上的电流不是连续的，但是仍然可以借助于能量守恒来分析，请同学们自己看书。,BOOST拓扑分析,在上述分析中我们得到BOOST拓扑在电感电流连续的情况下输入输出电压与开关占空比的关系：,那么是不是我们给定了一个占空比，就能得到一个稳定的输出了吗，答案是不可能的，其一输入电压Vin在不断变化，其二负载的变化也会让电感电流进入不连续工作状态，因此我们需要反馈，当输出电压小于期望值时我们将开关占空比增加，同理，大于时减小占空比。反馈的方式有两种，一种是最常用的硬件反馈，一种是软件反馈。我们先来讨论硬件反馈。,BOOST电路分析,经典开关电源控制芯片UC3842是硬件反馈很常用的器件，以下是UC3842在BOOST电路中的应用：,BOOST电路分析,软件反馈则是指单片机或者FPGA用AD采集BOOST电路输出电压然后与设定电压相比较来改变开关PWM占空比，继而调节输出。软件反馈相比于硬件反馈更显灵活，是后期常用的方式，硬件反馈是基础，软件反馈是升华。,AD采样,BOOST参数设计电感,前面介绍了BOOST电路基本组成和控制策略，下面将要介绍BOOST电路内部具体参数的设计，首先是电感的设计。设计电感的前提是要知道流过电感的最大电流平均值，就是在满载的情况下，这里不加证明的给出电感电流公式（精通开关电源设计P38页）：其中Io是输出电流，D是开关管最大占空比。之前说过电感电流波形是这样的：,BOOST参数设计电感,我们建立这样一个原则：设开关导通时间为Ton，则：,f为开关频率。导通时电感电流上升斜率为：那么：从而可以得出电感：对于本题Uin（min)=18V，Uo（max）=36V，Io=2.5A，我们以3A计算，f取50KHz，从而可以算出电感值为100uH。,BOOST参数设计电感,仅仅算出电感值不够，我们还要确定用什么样的磁芯和多少线径的铜线绕制，在这之前，我们要简单说说电感的一个重要特性磁饱和。具体定义大家百度一下，用最直接的解释就是电感感值随着流过电感电流的变大而变小，甚至完全消失，电感成为了一根导线，引发短路！我们带着这个特性来尝试设计它。首先我们要知道有哪些常用的磁芯：,从大到小：77191A7 77254A7 77930A7分别常用于80200W，2080W，20W以下。本题要求输出36V，2A，最大功率72W，所以尝试使用77254A7。,BOOST参数设计电感,选定磁芯后电感圈数如何确定呢，进入美磁官网，找到77254A7的PDF文档，打开看到 AL=168。电感L=AL*N2。计算出圈数N=24。是不是这样就完成了电感的设计呢？不是，之前我们说过电感感值会随着电流增大而变小，我们要求设计出来的电感在最大电流时其值下降不低于电流为0时的80%。看PDF文档最下面有个图表：,BOOST参数设计电感,上表横坐标是安匝（电流乘匝数），纵坐标是AL，随着安匝数的上升，AL下降，也就意味着电感值在下降，本题中IL=Io/(1-D)=6A。匝数之前算过为24匝，安匝=144。查看上表AL下降略低于80%，因为设计有裕量（题目要求2A，我们以3A计算的），所以本设计没有太大问题。磁芯圈数都设计好了，最后一步是漆包线线径的确定，我们提供一个原则，一般导线截面积单位cm2上流过的电流为400A，本题IL=6A，可得导线截面积为0.015cm2，实验室直径0.8mm的铜线截面积为0.005cm2，所以三股（两根勉强也可以）一并绕制。绕线要整齐,否则会影响性能。,BOOST参数设计其他器件,对于续流二极管，要注意流过最大电流限制和反向承受电压限制，满足这两个基本条件下我们希望二极管反向恢复速度越快越好，本题中二极管的电流就是输出电流Io=3A，反向最大电压是36V，所以采用两个SR360（3A，60V）并联使用。对于滤波电容，我们采用大的电解电容和瓷片电容混合滤波，电解电容滤低频，瓷片电容滤高频。对于开关管，选用开关速度快的MOSFET场效应管，要注意它的耐压值足够大和导通电阻尽量小，本题IRF540N是比较好的选择。电流取样电阻的选取不能只看功率够不够，而是要满足精度的问题，当电路工作时，电阻难免发热，阻值会发生变化，这样测量的电流就不准了，而康铜丝电阻不仅功率大，温漂也相当小，因此我们选取它作为电流采样电阻。,系统整体结构,整流滤波,升压电路,电压电流取样电路,控制器显示和按键,AD,DA,各部分电路,整流滤波采用以下电路：保险丝必须使用，本题8A保险丝足够。滤波电容用的是大的电解电容，注意耐压值至少是滤波后电压的2倍，正负极性不要弄反。整流桥建议使用成品模块，也可以使用二极管搭建（注意二极管的耐压值和电流限制）。,各部分电路,BOOST主电路采用UC3843为PWM控制器的电路，如下：,各部分电路,电压电流采样电路如下：(不要忘记去耦电容）,各部分电路,辅助电源电路如下：,布局布线,在对电源系统焊接之前，我们必须要清楚的知道哪些地方过大电流，哪些地方是小电流。很显然，BOOST主电路是大电流必经之地。这两图中显示BOOST主电路有两个电流环，对这个电路的布局要领是让这两个环所包围的圈尽量小。,下面是学长的布局实例：,布局布线,辅助电源,BOOST主电路,电压电流采样,UC3842电路,AD/DA,单片机接口,UIN,UOUT,布局布线,辅助电源,UIN,UOUT,UC3842,电压电流采样AD/DA,谢谢,细心，大胆，努力，成功,
