开关稳压电源的设计与制作

要求

设计并制作开关稳压电源。

要求：在电阻负载条件下，①输出电压Uo可调范围：30V～36V；②最大输出电流LOmax：2A；③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤0.2%（Io=2A）；④Io从0变到2A时，负载调整率S1≤0.5%（U2=18V）；⑤输出噪声纹波电压峰—峰值UOPP≤1V（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）；⑥DC—DC变换器的效率%`≥85%（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）；⑦具有过流保护功能，动作电流Io（th）=2.5？.2A，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；⑧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；⑨变换器（含控制电路）只能由UIN端口供电，不得另加辅助电源。

总体分析

首先我们需要确定出系统方案。输出电压Uo可调范围30～36V，而隔离变压器副边输出为15～21V，整流滤波后最大约27V，小于30V，显然在整个电压范围内都需要升压输出。

其次，要求变换器整体效率大于85%，对小功率电源来说，这个要求已经比较高了，可以计算，在72W的额定功率、85%的效率下，变换器的损耗不能超过12.7W，要达到此项要求，就必须使用尽量少的器件，不论是功率主电路，还是控制测量电路，都应该使其尽量简单。

器件选择

（1）输入电感和输出滤波电容的选取。首先计算升压电感的大小。整流输出电压的大小为19～27V，输出电压范围为30—36V，由临界电流公式Iob=Uo/2Lf8lD（1—D）（2），当D=1/3时，临界电流有最大值1obm=2Uo/27Lfs，要使电感电流连续，则最小负载电流（题目要求可空载，这里取0.1A）应大于Iobm，由此解得

L≥2Uo/27fsIobm=2*36/27*30*0.1

=1.33mH，取L=2mH。

（2）开关管的选取。开关管Q关断时承受的正向电压为36V，考虑一定的尖峰余地，IRF3205的正向击穿电压为55v，导通电阻仅为8m%R，所以不会击穿同时导通损耗也很小。输出整流二极管选取导通电阻小的肖特基二极管MBR20100，其导通压降为0.7V，反向击穿电压为100V。MOSFET的驱动选专用驱动芯片IR2110.

（3）其它元件的选取。测量控制电路的损耗跟元件的工作电压有关，信号放大用的运放选低电源电压、Rail—To—Rail型运放INA132和OPA350，可降低功耗。

单片机的功耗与CPU时钟频率有关，降低单片机时钟频率也可使损耗减小，此设计中凌阳单片机的CPU时钟为24.576MHz。

制作

第一个问题是整流桥（耐流能力为10A）总是被烧毁。滤波电容越大、二极管的导通角0越小，流过二极管的电流峰值就越大。其值很容易大于10A。后来我们在整流桥后面串入电感L1，因为电感有一定续流作用而使二极管导通角变大，从而减小电流峰值以保护整流桥，改进后整流桥不再烧毁。但是开机时保险管（额定电流10A）常被熔断，分析发现，开机时整流桥后的滤波电容呈瞬时短路状态，所以开机存在较大冲击电流，所以我们在整流桥前串联NTC、问题也得到解决。其原理是，开机时NTC温度较低而呈现很大电阻，所以开机电流不会很大，随着电路接通，NTC发热而呈现很小电阻，所以正常工作时NTC上电压降很小，不会影响电路正常工作。（见图1）

遇到的第二个问题就是电压调节慢和稳压不好，刚开始我们以为是软件调节器的问题，检查很久后发现是测量电压不准造成的。负载两端电压正比于节点1与2之间电压，我们刚开始直接测量节点2与地之间电压，表面上看来0.1%R的采样电阻影响不大，但电路中流过的电流为2A时，电流采样电阻上的压降为0.2V，误差约为0.5%，可见误差并不小。另一方面，若用此种采样方案，会因电路中电流的不同，造成的测量误差也不同，随电压变化误差呈现一定的非线性，这会给电压调节带来麻烦。所以，我们后来改用差分的方式采集电压，也就是使用差分运放在节点1和节点2之间采样，这样可大大减小误差，改进后取得了很好的效果。测量电路的各个环节都应准确可靠，采样电阻也应尽量准确稳定。类似，若在AD转换的入端需要对待测电压或电流信号滤波，则滤波电容不宜过大，否则会影响响应时间而造成测量滞后，自然会使调节不准确。这些问题虽然简单却影响很大，若能快速准确的测量，单片机的调节将顺利得多。

第三个问题就是输出电压有较大尖峰，这显然是由于开关管的高频开关造成的，尤其是关断时，由于电路中有寄生电感，瞬间电流的切断会在电感两端出现冲击电压。我们的解决办法是一方面对开关管加缓冲电路，改善关断性能，开关管Q关断时，原电路一部分电流通过快恢复二极管对电容C充电，使开关管两端电压缓慢E升，电路中电流的减小速度也有所减缓，简单的缓冲电路可省去二极管D。具体的RCD的参数设计较复杂，设计时可参考有关开关电源书籍。另一方面是在输出滤波电解电容两端并接高频特性好、寄生电感小的聚丙烯电容，且多个并联效果更好，但是要保证引线尽量短。同时为了减小线路电感，对功率主电路，应使走线尽量短，线径稍粗。

（作者单位：长春市水产品质量安全检测中心）