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0805貼片電感等因素有關(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)應盡量簡單，器件數(shù)量盡量少，自制輔助電源，且效率應較高。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，所以應盡量選取不易飽和的鐵芯作為電感磁芯，繞制時應盡量均勻緊湊，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，導通電阻僅為8mΩ，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(qū)動選專用驅(qū)動芯片IR2110，驅(qū)動電路如下圖所示。 大功率電感廠家 |大電流電感工廠
