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降压型DCDC开关电源的研究与设计


开关电源的研究与设计 降压型 DC/DC 开关电源的研究与设计
摘 要: 随着开关电源技术的迅速发展,DC/DC 开关电源已在通信、计算机以及 消费类电子产品等领域得到了广泛应用。近年来,电池供电便携式设备的需求越 来越大, DC/DC 开关电源的需求也日益增大, 对 同时对其性能要求也是越来越高。 本文设计了一款降压型 DC/DC 开关电源电路。 首先详细的分析和阐述

了降压 型转换器的电路拓扑和工作原理,根据系统性能设计了电路的整体框图。然后对 电路的各个模块进行了分析和设计,包括输入电路,降压电路和显示电路。 通过 Protues 和 SwitcherPro 仿真工具对整体电路都进行了仿真验证, 结果 表明该电路工作稳定,各项指标都达到了设计要求。具有 7V-40V 电源电压输入 范围,输出电压在 1V-20V 之间连续可调,转换效率达到 85%以上。该电路可满 足小封装要求,可应用在单片机以及 USB 电源等便携式电子产品中。

关键词:开关电源;降压型;DC/DC 转换

Buck type DC/DC switch power supply research and design
Abstract:With the rapid development of the switching power supply technology, the DC/DC switching power has already obtained the widespread application in domains such as communication, computer, and consumptive electronics. In recent years, the demand for portable equipment with battery power supply is growing increasingly, so does the DC/DC switching power, thus, its performance is required to become better and better. A buck DC/DC switching power circuit was presented in this paper. First, a buck converter topology and its principle were analyse in details, and the overall circuitry frame was introduced. Then each module of the circuitry was analyzed and designed, including the input circuitry, the voltage down circuitry, and the display circuitry. By means of simulation tools,e.g. Protues and SwitcherPro, the whole circuitry was simulated and verified. The results show that this circuitry worked stably and every design index met the design requirements. The conversion efficiency reached to 85% with the input voltage range from 7V to 40V and the output votage range from 1V to 20V. This circuitry met the requirement of small package, and could be applied to portable electronic products, such as MCU and USB power supply. Key words:Switching Power Supply ; Buck ; DC/DC switch





1 开关电源现状及前景................................................................................................ 1 1.1 国内外开关电源的发展状况......................................................................... 1 1.2 国内开关电源的发展状况............................................................................. 1 1.3 开关电源发展前景......................................................................................... 1 1.4 本论文主要工作目的..................................................................................... 2 2 开关电源基础理论.................................................................................................... 3 2.1 稳压电源简介................................................................................................. 3 2.2 隔离型开关电源简介..................................................................................... 3 2.3 非隔离型开关电源理论基础......................................................................... 4 2.4 开关电源的基本构成..................................................................................... 5 2.5 开关电源的基本工作原理............................................................................. 6 2.6 开关电源的优缺点......................................................................................... 7 2.7 开关电源的电路拓扑结构............................................................................. 8 2.7.1 Buck 变换器......................................................................................... 8 2.7.2 Boost 变换器..................................................................................... 10 2.7.3 Buck-Boost 变换器........................................................................... 11 2.7.4 Cuk 变换器......................................................................................... 11 3 DC/DC 降压型开关电源设计................................................................................... 13 3.1 DC/DC 降压电路的设计................................................................................ 13 3.2 交流电压转换电路....................................................................................... 15 3.3 整流电路....................................................................................................... 15 3.4 滤波电路....................................................................................................... 16 3.5 AD 转换电路.................................................................................................. 17 3.6 数字显示....................................................................................................... 19 4 电源电路仿真........................................................................................................... 20 4.1 电源电路输出电压波形仿真....................................................................... 20 4.2 电源转换效率仿真与稳定性仿真............................................................... 21 [参考文献].................................................................................................................. 23 致 谢.......................................................................................................................... 24

1 开关电源现状及前景
1.1 国内外开关电源的发展状况 电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位, 市场排名前十的 企业无一例外全部为外资企业,其中美国厂商优势明显。国外开发电源管理芯片 的厂商很多,主要有 NCP、IR、MAXIM、ST、TI、PI 等,他们的产品都已经非常 成熟能够提供高质量、全系列的电源管理芯片。在非隔离的 DC/DC 转换技术中, TI 公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步 BUCK,转换效率高达 97%, 其中 TPS40071 等是其代表产品。在电源数字化方面走在前面的公司有 TI 和 Microchip,TI 公司已经用 TMS320C28F10 制成了通讯用的 48V 输出大功率电源 模块,其中 PFM 和 PWM 部分完全为数字式控制。 1.2 国内开关电源的发展状况 近 5 年来,在下游电子产品整机产量高速增长的带动下,中国电源管理芯片 市场保持了快速的增长,从 2003 到 2007 年,市场复合增长率达到 25%。随着电 源管理芯片技术门槛的降低,越来越多的 Fabless(芯片设计公司)开始涉及该领 域,尤其是台湾和中国内地厂商,近年来发展快速,已经在中低端电源管理管理 芯片领域取得较大成功。消费、网络通信和计算机一直是电源管理芯片市场最主 要的应用领域,三大领域依然占据了中国电源管理芯片市场近 80%的市场份额。 国产开关电源已占据了相当市场, 一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产 品已获得广泛认同,在电源市场竞争中颇具优势,并有少量开始出口[6]。 1.3 开关电源发展前景 目前开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天,军事以及家电等领 域应用非常广泛的一种电力电子装置。 可以说开关电源技术是目前中小功率直流 电能变换装置的主流技术。据市场调研公司 Databcans 报道,2006 年模拟 IC 市 场增长约 15%,销售额从 2005 年 319 亿美元增至 370 亿美元。在模拟领域的诸 多产品种类中,电源管理芯片的市场空间最大,这主要源于电源管理芯片极为广 泛的应用。电源管理约占整个模拟 IC 市场 31.2%的份额,其中从销售收入来 看,贡献最大的是开关电源[7]。

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1.4 本论文主要工作目的 电源管理芯片产品的发展趋势表现为多样化, 包括同时提供多个不同的供电 电压趋势、产品设计周期缩短趋势、产品面积缩小趋势以及低成本趋势等等。本 论文就是按照这种趋势做的一种降压型 DC/DC 电源的设计与研究。 由系统性能研 究开始,设计各模块电路。利用在 Protues 和 SwitcherPro 下对各个子电路进行 参数修正及仿真验证。基于以上的讨论分析,结合降压式 DC/DC 开关电源的实际 应用,在本设计中首先设定了如下的设计目标: (1)电源电压输入为 24V(范围为 7-40V) 。 (2)输出电压在 1.0V-20.0V 范围内连续可调。 (3)较小的外围器件条件下,电路转换效率为 85%以上。 最终将完成所有功能单元电路以及整体电路的设计与仿真,并生成网表,完 成部分电路的版图设计和验证。为完成以上设计目标,建立的设计环境如下: 在硬件方面:一台工作在 WindowsXP 环境下的 PC 机。 在软件方面:电路设计工具是 Protel DXP 设计工具;仿真工具是 Protues 和 TI 环境下的 SwitcherPro;辅助设计软件是 Microsoft Visio 和 Auto CAD。 本论文主要介绍了电源管理的概念、开关电源的发展以及应用前景;对开关 电源的工作原理进行了详细的介绍,作为后续的设计的理论基础;对降压式 DC/DC 开关电源整体电路结构进行设计,对整体电路进行仿真。

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2 开关电源基础理论
2.1 稳压电源简介 在开关电源出现之前,线性稳压电源已经应用了很长一段时间。而后,开关 电源是作为线性稳压电源的一种替代品出现的, 开关电源这一称谓也是相对于线 性稳压电源而产生的。 线性稳压电源的基本原理框图如图 1 所示。

图 1 线性稳压电源 图 2-1 中关键元器件是调整管 V, 工作时检测输出电压得到 Uo, 将其和 Uref 进行比较,用其误差对调整管 V 的基极电流进行反馈控制。这样当输入电压 Ui 发生变化,或负载变化引起电源的输出电压 Uo 变化时,就可以通过改变调整管 V 的管压降 Uv 来使输出电压 Uo 稳定。 为了使调整管 V 可以发挥足够的调节作用, 它必须工作在线性放大状态,且保持一定的管压降。线性稳压电源的直流输入电 路是由工作在工频下的整流变压器 T 和二极管整流加电容滤波组成的。 整流变压 器 T 的作用有两个:一是通过对电压比的合理设计使 Ui 比 Uo 高一个合适的值, 确保调整管 V 工作在放大状态;二是使输出电压和交流输入电压实现电气隔离。 2.2 隔离型开关电源简介 开关电源就是为了克服线性稳压电源的缺点而出现的, 而隔离型是其中一种 类型的电路,应用于 AC/DC 开关电源中。其典型结构如图 2 所示,由于有高频变 压器隔离,因而叫做隔离型结构。图中整流电路是把交流电源直接经过二极管整
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流电路和电容 C 滤波后到直流电压 Ui,再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电 压。由于人耳可听到的音频的范围大体为 20Hz-20kHz,因此逆变器的开关频率 大多在 20kHz 以上,这样避免了令人烦躁的噪声污染。逆变器输出经高频变压器 T 隔离并变换成适当的交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压 Uo。 当交流输入电压、负载等变化时,直流输出电压 Uo 也会变化。这时可以调 节逆变器输出的方波脉冲电压的宽度,使直流输出电压 Uo 保持稳定。逆变器是 隔离型开关电源的核心部分,逆变器中的电力电子器件都工作在开关状态,开关 电源由此得名,损耗很小,使得电源的效率可达到 90%以上。其次,电路中起 隔离和电压变换作用的变压器 T 是高频变压器,其工作频率多在 20kHz 以上。

图 2 AC/DC 开关电源 2.3 非隔离型开关电源理论基础 非隔离型电路通常用于各种 DC/DC 转换器, 这种电路的主要特点是功率管工 作在开关状态。它利用电感元件和电容元件的能量存储特性,随着功率管不停地 导通、关断,具有较大电压波动的直流电源能量断续地经过开关管,暂时以磁场 能形式存储在电感器中,然后经电容滤波得到连续的能量传送到负载,得到经变 换后的电压脉动较小的直流电能,实现 DC/DC 变换。 DC/DC 转换器系统由主电路和控制电路组成,构成开关电源的主电路的元 件,包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载,它们共同 完成电能的转换和传递,合称为功率级;控制电路则通过控制功率开关管的通断
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实现调节输出电压恒定在设定值,从而控制主电路的工作状态,使主电路从输入 电源处获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常,当输入的电池电压及输 出端的负载在一定范围内变化时,负载电压可以维持恒定。 DC/DC 转换器的调节过程如图 3 所示,它将电池电压 Vin 变成所期望的较稳 定的直流输出电压 Vo。原理如下:图中的单箭头开关由调制器控制产生一个方 波,这个方波的平均电压等于所期望的直流输出电压,低通滤波器用来削弱方波 中的交流量,使得输出为所需的直流电压,输出电压 Vo 与基准电压相比较,产 生控制调制器的信号,从而达到调节方波宽度或者频率的目的,这样整个系统形 成一个负反馈回路,使得输出电压稳定在设计值。

图 3 DC/DC 转换器的调节过程 DC/DC 转换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输出电压的功率开关 元件和储能元件的不同配置。正是由于有多种拓扑结构的存在,使得 DC/DC 转换 器具有灵活的正负极性和升、降压方式,这一特性使其明显优于线性稳压器和电 荷泵[5]。 2.4 开关电源的基本构成 开关电源采用功率半导体器件作为开关器件,通过周期性间断工作,控制开 关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图 4 所示。

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图 4 开关电源基本构成图 图 2.4 中 DC/DC 转换器进行功率转换,它是开关电源的核心部分,此外还有 启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1,R2 检测输出电 压变化,与基准电压 Ur 比较,误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经 过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。 对于串联线性稳压电源, 输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特 性决定。但对于开关电源,输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频 率的同时,由于反馈放大器的频率特性得到改善,开关电源的瞬态响应问题也能 得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端 LC 滤波器特性决定,所以可以利用 提高开关频率、降低 LC 滤波器体积的方法来改善瞬态响应特性[8][9]。 2.5 开关电源的基本工作原理 开关电源的基本原理如图 5 所示。

图 5 开关电源的基本原理图

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对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压 Uo 取决于矩形脉冲的宽度,脉 冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压 Uo 可由以下公式计算:
Uo = Um T 1 / T

2-1

式中 Um——矩形脉冲最大电压值; T——矩形脉冲周期;T1——矩形脉冲宽度。 从上式可以看出,当 Um 与 T 不变时,直流平均电压 Uo 将与脉冲宽度 T1 成 正比。这样,只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达 到稳定电压的目的。 开关电源的基本电路框图如图 6 所示。 交流电压经整流电路及滤波电路整流 滤波后,变成含有一定脉动成分的直流电压,该电压进入高频变换器被转换成所 需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

图 6 开关电源基本电路框图 控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调 制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集 成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压 的目的[10][11]。 2.6 开关电源的优缺点 开关电源的优点:1)功耗小,效率高。在图 6 所示的开关电源电路中,晶 体管在激励信号的激励下,它交替地工作在导通一截止和截止一导通的开关状

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态,转换速度很快。这使得开关晶体管的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提 高,其效率可达到 80%。2)体积小,质量小。开关电源的没有采用笨重的工频 变压器。由于晶体管上的耗散功率大幅度降低后,又省去了较大的散热片。由于 这两方面原因,使开关电源实现了体积小,质量小。3)滤波的效率大为提高, 使滤波电容的容量和体积大为减少。开关电源的工作频率目前基本上是工作在 50kHz,是线性稳压电源的 1000 倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了 1000 倍。就是采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了 500 倍。 开关电源的缺点:开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。在开关电源 中,功率调整开关晶体管工作在开关状态,在其开关过程中产生的交流电压和电 流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰, 这些干扰如果不采取一定 的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机的正常工作。 2.7 开关电源的电路拓扑结构 DC-DC 开关功率变换器按照主回路拓扑可以分为四种:Buck 变换器、Boost 变换器、Buck-Boost 变换器和 Cuk 变换器。 2.7.1 Buck 变换器 Buck 型开关电源将输入电压 Vin 变换成 0≤Vo≤Vin 的稳定输出电压 Vo, 所 以又称降压开关电源。图 7(a)是 Buck 开关电源的主电路图:Vin 为输入电源, 通常为电池或电池组。Mp 是主开关管,因其源端接电源 Vin,适宜选用低电平导 通的 PMOS 管。二极管 D 是辅助开关管,也称为整流管,一般使用具有较低正向 导通电压的肖特基二极管。Vp 是 Mp 的栅极控制信号,由控制电路提供,Ro 表示 负载电阻。

(a)拓扑电路 (a)拓扑电路

(b)工作阶段一

(c)工作阶段二

图 2.7 BUCK 电路

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在一个开关周期中,电路工作在两阶段下: 第一阶段:在控制电路作用下,Mp 导通,x 点高电位,二极管因受反向偏压 而截止,电流由输入电压流经 Mp、电感 L 到电容 C 和负载。电感电流持续上升, 电感储能在增加,能量由电池传送到电感并存储在电感中; 第二阶段:控制电路使 Mp 截止,切断电池和电感元件的连接,于是电感产 生感生电动势使电流维持原来的流向, 迫使 x 点电位降至比地电位还低一个二极 管的正向导通压降,二极管 D 导通,为电感电流提供通路,电流由电感 L 流向电 容 C 和负载,电感电流随时间下降,能量由电感流向负载。在两种工作模式下, 在负载 Ro 上都可得到脉动很小的直流电压 Vo。 根据电感中电流 I 在周期开始时是否从零开始, 可分为电感电流连续工作模 式(CCM)和电感电流不连续工作模式(DCM) 。图 8 为在两种工作模式下的电路 波形。

(a)CCM 电路波形图

(b)DCM 电路波形图

图 8 电路工作波形图 设 MOS 管的导通占空比为 D1 ,二极管的导通占空比为 D 2 。如果新的周期在 电感电流尚未降至零时开始,则系统工作在 CCM,工作波形见图 8(a),此模式下

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有 D1 + D 2 =1。在第一阶段,开关闭合,电感电流上升;在第二阶段,开关断开, 电感电流下降。 当电感 L 较小,负载电阻较大,或者 T 较大时,将出现电感电流下降到零, 下一周期却还没有开始的情况。 当下一周期开始时, 电感电流从零开始线性增加。 这种工作方式称电感电流不连续模式。 其工作波形如图 8 (b) 所示, 此时,D1 + D 2 ≠1。可得:
Vo = D1 Vin D1 + D 2

2-2

由于电容的充放电,输出电压会有纹波分量。当电感电流大于输出电流时, 电容被充电;当电感电流小于输出电流时,电容对负载放电。一个开关周期内, 电容元件存储的电荷变化量 ?Q 为:
?Q =

1 ?I T ? ? 2 2 2

2-3

将 ?Q = CV0 代入上式,可得纹波电压计算公式: V0 = ?IT ?I = 8C 8 fC 2-4

在式 2-4 中,若给定纹波电压的指标,根据公式可估算出为满足纹波指标所 需要的最小电容值 C。 2.7.2 Boost 变换器 Boost 变换器也称升压变换器,也存在两个工作阶段。图 9 为 Boost 电路的 拓扑结构。

a)拓扑电路

b)工作阶段一

c)工作阶段二

图 9 BOOST 电路

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类同 Buck 电路的推导过程,可知在 CCM(电感电流连续工作模式)条件下,
Vo = Vin ( D1 开关管 M 的导通占空比) 1 ? D1
D1 + D 2 Vin ( D 2 为二极管的导通占空比) D2

2-5

在 DCM(电感电流断续工作模式)条件下,
Vo =

2-6

Buck2.7.3 Buck-Boost 变换器 Buck-Boost 变换器是降压—升压混合电路,输出电压极性与输入电压相反。 图 10 为 Buck-Boost 电路的拓扑结构。

a)拓扑电路

b)工作阶段一

c)工作阶段二

Buck图 10 Buck-Boost 电路 类同 Buck 电路的推导过程,可知在 CCM(电感电流连续工作模式)条件下,
VO = ? D1 Vin ( D1 开关管 M 的导通占空比) 1 ? D1

2-7

在 DCM(电感电流断续工作模式)条件下,
D1 Vin ( D 2 为二极管的导通占空比) 2-8 D2 1 1 由 Vo 的表达式可知, D1 < 时, 当 Buck-Boost 电路是降压电路, D1 > 时, 当 2 2 Vo = ?

Buck-Boost 电路是升压电路。 2.7.4 Cuk 变换器 Cuk 变换器也是升降压混合电路,输出电压极性也与输入相反。图 11 为 Cuk 电路的拓扑结构。

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a)拓扑电路

b)工作阶段一

c)工作阶段二

图 11 Cuk 电路 类同 Buck 电路的推导过程,可知在 CCM(电感电流连续工作模式)条件下,
VO = ? D1 Vin ( D1 开关管 M 的导通占空比) 1 ? D1

2-9

在 DCM(电感电流断续工作模式)条件下,
D1 Vin ( D 2 为二极管的导通占空比) 2-10 D2 1 1 由 Vo 的表达式可知,当 D1 < 时,Cukt 电路是降压电路,当 D1 > 时,Cuk 2 2 Vo = ?

电路是升压电路。Buck-Boost 电路和 Cuk 电路都是升降压型混合电路,故有很 多特性。但 Cuk 电路是借助电容来传输能量,而 Buck-Boost 电路是借助电感来
[9] 能量,这是二者的区别。本文采用降压型(Buck)结构 。

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3 DC/DC 降压型开关电源设计
本电路主要包括变压器降压,桥式整流电路,滤波电路,降压电路,AD 转 换电路,和数字显示构成。其中降压电路是一种高效的三增益开关电源 DC/DC 降压变换器。 1V 起调的稳压电源, 从 电路使用时, 只须调节电源电压调节器 (可 调电阻),即可得到 1V-20V 之间所需的电压。系统结构框图如图 12 所示
220V 交流电输入

变 压 器 降 压

桥 氏 整 流 电路

滤 波 电路

降 压 电路

AD 转 换 电 路

数 字 显示 图 12 DC/DC 降压型开关电源的结构框图

本电源电路是实现把 220V 交流电源变换成 1V-20V 连续可调的稳压电源, 它的工作原理是:经过降压、整流、滤波、稳压后输出直流电压,当对转换电容 阵列进行不同设定时,通过改变分压比,可以得到一个 1V-20V 的连续可调直流 电压。电路的最大输出电流为 1A,电压调整率≤0.2%,纹波电压(峰-峰值) ≤20mV,效率≥85%[20][21]。 3.1 DC/DC 降压电路的设计 本文所设计的 DC/DC 降压电路是一种高效三增益开关电源 DC/DC 降压电路, 其电路原理图如图 13 所示

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图 13 高效三增益开关电源 DC/DC 降压电路原理框图 该电路具有两个主要回路:脉频调制回路(PFML)和增益跳转回路(GHL) 。 PFML 由基准信号产生器 (reference generator) 振荡比较器 , (comparator skip) , 振荡器(oscillator),开关控制模块(switch control block)组成。GHL 由 基准信号产生器(reference generator) ,比较跳转器(comparator hop),增 益控制模块(gain control block), 开关控制模块(switch control block) 和转换电容阵列(switch array block)组成。 该电路将输出信号和基准信号产生器产生的基准信号在两个比较器中进行 比较,比较后产生的信号 skip 为增益控制模块提供时序信号。该时序信号和信 号 hop 共同控制增益控制模块(2/4 译码器) ,产生增益选择信号 C,G,C-,G-,控 制转换电容阵列产生不同稳定电压输出(1-20V) ,即可达到电路降压要求。

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图 14 转换电容阵列电路 3.2 交流电压转换电路 由于所需的直流电压比起电网的交流电压在数值上相差较大,所以,AC/DC 转换后的电压设为 24V-40V,才能达到要求输出的电压为 1V-20V, 即该部分电 路采用变压器 TRANS 把 220V 交流市电变为约 20V 的低压交流电, 作为电源的输 入电压,变压器原辅线圈的匝数比为:N1/N2 = U1/U2= 220V/20V≈11/1 电路中 的保险丝 F1 可起到保护电源的作用,当电流 I>0.5A 时,保险丝熔断,从而防 止电源烧坏。 3.3 整流电路 该部分电路是采用桥式整流电路, 把经过降压后的交流电变成单方向的直流 电,因为相比于半波整流、全波整流电路,桥式整流电路的整流效率较高,其输 出电压平均值即整流输出电压 U 在一个周期内的平均值:
U=

π∫

1

π

0

2U max 2 Sinwtd ( wt ) =

2 2

π

≈ 0.9U max = 18V

3-1

在式 3-1 中,w 为市电频率 50Hz。

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3.4 滤波电路 经过整流后的直流电幅值变化很大,会影响电路的工作性能。可利用电容的 “通交流, 隔直流” 的特性,在电路中并入并联电容 C 作为电容滤波器,滤 去其中的交流成分,利用估算法可得经过滤波后的输出电压:
Uo = 1.2Uin = 24V

3-2

以上交流电压转换、整流、滤波三部分统称为电源输入部分,将民用 220V 交流电转换成为稳定的 24V 直流电作为电源的输入端,其电路图如图 15 所示。 此外,可在输入端加 1A 保险丝,防止输入电压超过 40V 或电源板内部短路 引起的大电流造成的危害。保险丝接在 3300uF 电容的后端,防止加电时电容大 电流充电烧断保险丝。 电容起储能和电源滤波的作用, 在供电时主要起储能作用, 电容接在高压端更利于储能,因为如果电源暂时断电,稳压电路前面的电压逐渐 下降不会影响输出电压。

图 15 电源输入部分电路图 如图 15 所示,该电路外围器件有 2 个电容,1 个电感,2 个可调电阻,电路 结构比较简单。输入端可输入 7V-40V 直流电经过芯片降压处理并调节可调电阻 R1 或者 R2(为应用方便,可设定 R1 为固值电阻)得到 1V-20V 的输出电压,最 大输出电流为 1A。 值得注意的是,在实际制作中为避免电流过大烧坏其它元器件,固电解电容 采用 50V 大容量电容,可调电阻 R1、R2 采用大功率电阻。电感是开关电路的关 键部分,它在开关闭合时储存能量,开关断开时提供能量。一般选用带磁芯的电 感器,且必须考虑电磁干扰,使其减少到最小。本电路由于最大输出电流可达 1A,综合电感自身因素及电路安全因素考虑,电路选用电流容量 1A 以上的线圈 磁芯电感。
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3.5 AD 转换电路 本设计采用由美国模拟数字公司(Analog)推出的单片高速12 位逐次比较 型A/D 转换器AD574A ,内置有双极性电路构成的混合集成转换显片,具有外接 元件少,功耗低,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只需 外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D 转换器,其主要功能特性如下: 分辨率:12 位 非线性误差:小于±1/2LBS 或±1LBS 转换速率:25us 模拟电压输入范围:0—10V 和0—20V,0—±5V 和0—±10V 两档四种 电源电压:±15V 和5V 数据输出格式:12 位/8 位 芯片工作模式:全速工作模式和单一工作模式 AD574A 的引脚说明: [1]. Pin1(+V)——+5V 电源输入端。 [2]. Pin2( )——数据模式选择端,通过此引脚可选择数据纵线是12 位或8位输 出。 [3]. Pin3( )——片选端。 [4]. Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数 据输出格式。须注意的是, 端TTL 电平不能直接+5V 或0V 连接。 [5]. Pin5( )——读转换数据控制端。图3.8 AD574A [6]. Pin6(CE)——使能端。 现在我们来讨论AD574A 的CE和A0 对其工作状态的控制过程。在CE=1、=0 同时 满足时,AD574A 才会正常工作,在AD574 处于工作状态时,当=0 时A/D 转换, 当=1 是进行数据读出。和A0 端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0-0 时,启动的是按完整12 位数据方式进行的。当A0=1 时,按8 位A/D 转换方式进 行。当=1,也即当AD574A 处于数据状态时,A0 和控制数据输出状态的格式。当 =1 时, 数据以12 位并行输出, 当=0 时, 数据以8 位分两次输出。 而当A0=0 时, 输出转换数据的高8 位,A0=1 时输出A/D 转换数据的低4 位,这四位占一个字 节的高半字节,低半字节补零。

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[7]. Pin7(V+)——正电源输入端,输入+15V 电源。 [8]. Pin8(REF OUT)——10V 基准电源电压输出端。 [9]. Pin9(AGND)——模拟地端。 [10]. Pin10(REF IN)——基准电源电压输入端。 [11]. Pin(V-)——负电源输入端,输入-15V 电源。 [12]. Pin1(V+)——正电源输入端,输入+15V 电源。 [13]. Pin13(10V IN)——10V 量程模拟电压输入端。 [14]. Pin14(20V IN)——20V 量程模拟电压输入端。 [15]. Pin15(DGND)——数字地端。 [16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12 条数据总线。通过这 12 条数据总线向 外输出 A/D 转换数据。 [17]. Pin28(STS)——工作状态指示信号端,当STS=1 时,表示转换器正处于转 换状态,当STS=0 时,声明A/D 转换结束,通过此信号可以判别A/D转换器的工 作状态,作为单片机的中断或查询信号之用。AD574A 的工作模式:以上我们所 述的是AD574A 的全控状态,如果需AD574A 工作于单一模式,只需将CE、端接至 +5V 电源端, 和A0接至0V, 仅用端来控制A/D 转换的启动和数据输出。 当=0 时, 启动A/D 转换器,经25us 后STS=1,表明A/D 转换结束,此时将置1,即可获得数 据

AD574A的引脚图 图16 AD574A的引脚图

AD转换电路的原理图 图17 AD转换电路的原理图

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3.6 数字显示 数字显示采用共阴极数码管即共阴极七段 LED 数码管对于共阴极 LED 数码 管, 它将发光二极管的阴极 (负极) 短接后作为公共阴极。 当驱动信号为高电平, 公共阴极接低电平时, 二极管才发光。 其特点能在低电压、 小电流的条件下工作, 能与 CMOS、TTL 电路兼容;发光响应时间极短(<0.1us)高频特性好;体积小; 抗冲击性能好且成本低。

共阴极七段LED数码管 图18 共阴极七段 数码管

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4 电源电路仿真
电源电路仿真主要应用了两个常用软件,Protues 和 SwitcherPro。Proteus 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件, 它可 以仿真、分析各种模拟电路与集成电路,软件提供了大量模拟与数字元器件及外 部设备,各种虚拟仪器,特别是它具有对单片机及其外围电路组成的综合系统的 交互仿真功能。SwitcherPro 是由 TI 公司提供的可对开关电源芯片的转换效率 及外围器件安全系统进行模拟仿真的仿真软件。 4.1 电源电路输出电压波形仿真 本设计采用 Proteus 中 ISIS 部分对主干电路进行仿真。电路输入端为市电 220V,50Hz 交流电,输出端输出范围为 1V-20V 的直流电压,仿真时取 5V,12V 为 测量点在空载情况下对其进行波形仿真,仿真波形图如图 19、20 所示。

图 19 5V 输出电压波形图

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图 20 12V 输出电压波形图 4.2 电源转换效率仿真与稳定性仿真 SwitcherPro 是由 TI 公司提供的可对开关电源转换效率及器件安全系统进 行模拟仿真的仿真软件。 图 21 为 Buck 转换电路效率仿真图,当变压转换效率达到 90%时基本达到峰 值并处于稳态。

图 21 电源转换效率仿真图

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图 22 为降压电路工作的仿真图,为避免电流过大烧坏元器件,电路输入电 容采用 50V 大电解电容,储能电感采用 1A 大电流电感,稳压管采用 IN5822。

图 3.22 电源稳定性仿真

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[参考文献] 参考文献]

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在这春暖花开的季节,当我们即将走出校门踏上社会时,此时我感慨良多。 回首这四年来的学习和生活,我要感谢襄樊学院我更好地学习成长;也感谢物电 学院的所有老师在这四年里对我的关心和培养。 我要衷心的感谢我的导师吴老师。 在我撰写论文期间吴老师给我指明了一个 很好的研究方向, 在我毕业课题的准备、 设计、 实验以及到撰写论文等各个阶段, 都给我提出了有指导性的建议和意见。 吴老师还帮我找出了自己的问题所在和解 决方法, 使我无论是在这次毕业设计中, 还是在今后的工作和学习中都受益匪浅。 最后, 忠心的感谢我的父母多年来给予我无微不至的关怀和学习生活上的支 持,教会了我做人的道理,他们是我坚强的后盾。

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