一,、要求
設(shè)計并制作如下圖所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源,。
要求：在電阻負載條件下,，①輸出電壓Uo可調(diào)范圍：30V~36V;②最大輸出電流LOmax:2A,；③U2從15V變到21V時，電壓調(diào)整率SU≤0.2％(Io=2A),；④Io從0變到2A時,，負載調(diào)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)；⑥D(zhuǎn)C-DC變換器的效率η≥85%(U2=18V,，Uo=36V,，Io=2A)；⑦具有過流保護功能,，動作電流Io(th)=2.5±0.2A,，排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常狀態(tài),；⑧能對輸出電壓進行鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整,，步進值1V，同時具有輸出電壓,、電流的測量和數(shù)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。
二,、總體分析
首先我們需要確定出系統(tǒng)方案,。在要求中，第②③④⑤⑦⑧對總體方案影響不大,，這些指標都只與器件選擇,、制作工藝等因素有關(guān)，所以我們把注意力集中在剩下的三條指標上,。首先,，輸出電壓Uo可調(diào)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(nèi)都需要升壓輸出,。當然,，題目沒有限制整流電路形式，還有一種解決方案就是先倍壓整流再濾波,，這樣后級可采用降壓電路,。
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(jīng)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(yīng)該使其盡量簡單。題目還要求控制電路的電源只由整流輸出口(UIN)引出,，不得另加輔助電源,，這就要求自制輔助電源，且輔助電源效率不得太低,，所以線性電源不是理想的選擇,。
從以上分析，我們得出總體需求：主電路需要使用升壓拓撲，且升壓幅度不大,，電路結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單,，器件數(shù)量盡量少，自制輔助電源,，且效率應(yīng)較高,。分析還可以發(fā)現(xiàn)，輸入輸出沒有隔離要求,，且輸入端已有隔離變壓器隔離,，所以可以選用輸入輸出無電氣隔離的電路拓撲結(jié)構(gòu)。最后我們選定基本Boost升壓電路方案,，控制器選用凌陽16位單片機,，驅(qū)動信號的產(chǎn)生選用FPCA，系統(tǒng)整體方案如下圖所示,。220V交流電經(jīng)降壓,、整流、濾波得比較穩(wěn)定的直流電壓,，直流電壓經(jīng)Boost電路升壓再濾波得平滑的直流輸出,，輸出電壓、電流經(jīng)采樣輸入AD轉(zhuǎn)換芯片,，由單片機PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)穩(wěn)壓和調(diào)壓然后輸出指令信號給FPGA,、并進行顯示，F(xiàn)PGA生成PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動功率開關(guān)管從而實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制,。當輸出電流大于保護設(shè)定值時產(chǎn)生過流保護信號,，過流信號驅(qū)動繼電器動作切斷主電路同時關(guān)閉驅(qū)動信號，然后延時再嘗試通電并進行過流檢測,，若過流則再斷開主電路,，直到電路恢復(fù)正常為止。
三,、器件選擇
首先選擇電路開關(guān)頻率fs。因為開關(guān)損耗幾乎與開關(guān)頻率的平方成正比,，頻率過高會使損耗增加,；但如果頻率太小，又會使濾波電感,、電容體積過大,，而且電路容易出現(xiàn)音頻噪聲。綜合考慮以后,，選擇fs為20kHz,。
(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(xù)，則最小負載電流(題目要求可空載,，這里取0.1A)應(yīng)大于Iobm,，由此解得L≥2Uo/27fsIobm=2*36/27*30*0.1=1.33mH，取L=2mH,。由輸出紋波△Uo=DUo/f8RC,，R為負載電阻，此處可取15Ω,，由此可計算濾波電容的大小,，此處取C=4700μF。因Boost電路輸入電感直流分量很大,，所以應(yīng)盡量選取不易飽和的鐵芯作為電感磁芯,，繞制時應(yīng)盡量均勻緊湊，否則會增加電壓噪聲,，也可直接購買,。因電解電容存在較大寄生電感，所以焊接時應(yīng)使引腳盡量短,，同時并聯(lián)小容量聚丙烯電容,，這對減小輸出電壓尖峰很有幫助。
(2)開關(guān)管的選取,。開關(guān)管Q關(guān)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(dǎo)通電阻僅為8mΩ,，所以不會擊穿同時導(dǎo)通損耗也很小。輸出整流二極管選取導(dǎo)通電阻小的肖特基二極管MBR20100,，其導(dǎo)通壓降為0.7V,，反向擊穿電壓為100V。MOSFET的驅(qū)動選專用驅(qū)動芯片IR2110,，驅(qū)動電路如下圖所示,。
(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(guān),，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(guān),，降低單片機時鐘頻率也可使損耗減小,，此設(shè)計中凌陽單片機的CPU時鐘為24.576MHz。
四,、制作
上圖所示為功率主電路原理圖,，下圖所示為輔助電源電路圖。輔助電源電路中,，LM2575與D1,、L、C2組成Buck電路,，R1,、R2起反饋調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)R2可改變輸出電壓,。此設(shè)計中共有兩路輔助電源電路,，分別為+5V和+15V。經(jīng)典的Boost電路和其它電壓電流的測量電路都比較簡單,，其原理不再贅述,，這里就制作過程中遇到的問題及解決辦法作簡單說明。
第一個問題是整流橋（耐流能力為10A）總是被燒毀,。分析可知輸入穩(wěn)態(tài)電流為SA左右,，應(yīng)該不會損壞整流橋，但實際上流過整流橋的電流仿真波形(C=4700μF)如下圖所示,。濾波電容越大,、二極管的導(dǎo)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(xù)流作用而使二極管導(dǎo)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(fā)現(xiàn),，開機時整流橋后的濾波電容呈瞬時短路狀態(tài)，所以開機存在較大沖擊電流,，所以我們在整流橋前串聯(lián)NTC（負溫度系數(shù)熱敏電阻，圖4中的RV1）,、問題也得到解決,。其原理是，開機時NTC溫度較低而呈現(xiàn)很大電阻，所以開機電流不會很大,，隨著電路接通,，NTC發(fā)熱而呈現(xiàn)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,。
遇到的第二個問題就是電壓調(diào)節(jié)慢和穩(wěn)壓不好，剛開始我們以為是軟件調(diào)節(jié)器的問題,，檢查很久后發(fā)現(xiàn)是測量電壓不準造成的,。在圖4電路中，顯然負載兩端電壓正比于節(jié)點1與2之間電壓,，我們剛開始直接測量節(jié)點2與地之間電壓,，表面上看來0.1Ω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(xiàn)一定的非線性，這會給電壓調(diào)節(jié)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(jié)點1和節(jié)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(huán)節(jié)都應(yīng)準確可靠,，采樣電阻也應(yīng)盡量準確穩(wěn)定,，如下圖所示的兩個采樣電路，同樣都可實現(xiàn)將輸出電壓縮小為十分之一采樣,，但圖(b)電路中放大倍數(shù)的精度和穩(wěn)定度都更高,，也就是應(yīng)使采樣電阻可變化程度盡量小。類似,，若在AD轉(zhuǎn)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(yīng)時間而造成測量滯后,，自然會使調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(guān)管的高頻開關(guān)造成的，尤其是關(guān)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(xiàn)沖擊電壓。我們的解決辦法是一方面對開關(guān)管加緩沖電路,，改善關(guān)斷性能,，基本原理如下圖，開關(guān)管Q關(guān)斷時,，原電路一部分電流通過快恢復(fù)二極管1）對電容C充電,，使開關(guān)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(shù)設(shè)計較復(fù)雜，設(shè)計時可參考有關(guān)開關(guān)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(lián)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(yīng)使走線盡量短,，線徑稍粗。
再就是Boost電路本身的一個特點——不能開路運行,，然而題目意思顯然要求電源可以開路,。因為負載開路時，輸入電感照常周期性地不斷儲能和釋放能量,，而能量沒有被負載消耗掉,，電容電壓將持續(xù)升高即多余的能量都存儲到電容極板間，很快導(dǎo)致電容擊穿,。一種解決辦法是加假負載,，也就是說，當檢測到電源處于空載狀態(tài)時,，自動投入一個輕負載,，這個負載電阻值較大，既能維持輸出電壓為給定值,、本身功率損耗又較小,。
以上是在制作此開關(guān)電源中遇到的問題及一些解決方案,，采取這些措施并仔細調(diào)試后都達到了較好的效果,。