简单纯真数字控制开关电源设计与实现_电压_电路

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（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006）

：设计了一种基于微处理器（MSP430G2553）的大略单纯数字掌握开关电源。
电源系统主电路采取单端反激式变换器，掌握电路采取PWM调制办法掌握TLP250进行隔离驱动。
全体电源系统通过PID算法对系统进行闭环掌握，可实现输出电压稳定可调。
系统硬件电路设计包括前级保护电路、整流桥电路、反激式功率变压器、驱动电路、掌握环路以及输出滤波电路设计等。
在完玉成部系统的软硬件设计后，全体系统各项性能指标都通过了测试。
系统可实现输出电压5 V~20 V可调，输出电压偏差小于5%，效率高于75%，负载调度小于3%，最大输出纹波电压为84 mV，并且具有过压保护、界面显示等功能。

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：数字掌握；开关电源；反激式变换器；脉冲宽调制

（图片来自网络侵删）

开关电源的功率管哀求事情在高频状态下,因此它具有效率高、损耗小以及功率密度高档特点,现已广泛运用于工业自动化掌握和家用电器等领域［12］。
目前大多数开关电源采取仿照掌握办法,其缺陷是体积和重量大、偏差大以及维修和升级不便等。
为理解决以上问题，数字掌握开关电源已逐步取代仿照掌握［34］。
参考文献［5］、［6］采取DSP作为数字掌握芯片，其优点是开关变换器运行速率快，缺陷是DSP算法比较繁芜，尤其是在掌握多个开关管开通与关断的情形下。
因此本文研究了以微处理器MSP430G2553作为掌握核心的大略单纯开关电源，数字掌握系统设计完成后经由测试具有设计随意马虎、本钱低、体积小，并具有较高的精度，目前已经成功运用于湖南理工学院省级电工电子实验室，取得了不错的成效。

1系统实现及主电路先容

大略单纯数字掌握开关电源系统构造框图如图1所示，全体系统由输入整流滤波、开关变换器、掌握电路和输出整流滤波4部分组成。
个中开关变换器采取反激式变换器，掌握电路采取数字掌握芯片STM32F103RCT6对全体开关电源进行调控。

1.2主电路事情事理先容

数字掌握开关电源主电路采取单端反激式变换器，其电路如图2所示，紧张由高频变压器T1、功率MOS管Q1、无源钳位RCD电路和输出整流电路组成。
其事情过程是由PWM脉冲掌握功率管Q1开通和关断，当MOS管Q1导通时，高频变压器T1的低级绕组Np上便被施加输入电压，由于次级整流二极管D1反接，T1的次级绕组Ns没有电流流过。
当功率管Q1关断时，T1的次级绕组Ns上电压极性呈现上正下负，整流二极管D1正引导通，功率管Q1导通期间储存在变压器T1中的能量便通过整流二极管D1向输出负载开释。

2系统软硬件设计

数字掌握开关电源事情事理构造框图如图3所示，紧张包括整流电路、RCD钳位电路、反激变换电路、输出滤波电路、反馈电路以及掌握电路等。
220 V互换电压Ui经由降压变压器变为互换电18 V，再通过整流桥和滤波后变为25 V旁边的直流，主控芯片通过产生PWM脉冲来掌握反激变换器进行DCDC变换，使系统输出稳定的电压。
为了担保终极输出电压稳定，须要进行反馈调节，主控芯片内置ADC对输出电压Uo进行采样，将采样电压与设定值进行比较，通过比拟偏差快速调度PWM使开关管做出相应调度，担保输出电压稳定。
本文通过按键对输出电压值进行设定，电压值由液晶进行显示。

2.1整流滤波电路设计

整流滤波电路由整流桥和滤波电容组成，互换电压经整流桥整流后，再经由一个滤波电容滤波，输出直流电压，其电路如图4所示。
在选择整流桥时，须要考虑整流桥的最大反向击穿电压VBR的耐压值， VBR最小取值该当知足式（1）哀求。

VBR>1.25AC(max)(1)

由于本文中的输入电压为互换220 V±20 V，经由变压器降压后变成互换18 V，故最大输入互换为18 V，因此可打算出整流桥反向击穿电压VBR为：

VBR>1.25××18≈32 V(2)

为了确保整流桥的安全，可选择60 V 10 A的整流桥。

2.2钳位电路设计

反激变换器在功率管关断Q1的瞬间，由变压器T1的漏感与功率管Q1的输出电容造成的谐振尖峰电压加载在功率管Q1的漏极，如果不加以限定，功率管Q1很随意马虎被破坏。
因此需在功率管Q1的漏极设计RCD钳位电路，对谐振尖峰进行钳位。
钳位RCD电路位于如图5所示反激变换器虚线框图中。
当功率管Q1开通时，变压器T1处于储能状态，二极管D2被施加反向电压，此时钳位电路被断开。
当功率管Q1处于关断时，二极管D2导通，钳位电路开始事情，变压器T1的漏感能量大部分转移至钳位电容C1中，并在功率电阻R1上花费掉，这样使变压器漏感引起的谐振尖峰得到很好的抑制。

2.3驱动电路设计

掌握功率管Q1开通和关断的脉冲旗子暗记源来自本开关电源系统的主控芯片MSP430G2553，由于直接从主控芯片端口出来的脉冲旗子暗记驱动能力有限，不敷以驱动MOS管开关，因此须要设计驱动电路，提高脉冲旗子暗记的驱动能力。
由于本文采取IRF540的导通电压在10 V以上，直接从主控芯片I/O口输出的PWM脉冲幅度只能达到3.3 V，不能直接驱动IRF540。
将PWM脉冲接入光耦TLP250，其输出PWM幅度即是光耦的供电电压，光耦供电电压取12 V，则经由驱动电路后，输出的PWM脉冲幅度可达12 V，可以驱动IRF540。
驱动电路如图6所示［7］。

2.4输出采样电路设计

反馈回路中须要对输出电压进行采样，由于设定的输出电压在5 V~20 V，采样ADC不能直接对输出电压进行采样，因此须要设计采样电路。
采样电路紧张由分压电路和滤波电路组成。
对付分压电路，本文采取的主控芯片内置ADC只能对3.3 V以下的电压进行准确丈量，因此须要对输出电压进行分压。
可以选择分压倍数为10倍的分压电阻。
经由分压后采样电压是原来的1/10，电压从5 V~20 V变为0.5 V~2 V，同时偏差电压相应地缩减为原来的1/10。
为使ADC采样电压更加精确，可设计滤除采样电压中由开关频率引起的电压毛刺，因此在ADC采集前设计一个二阶无源低通滤波器对采样电压滤波。
输出采样电路如图7所示。

2.5赞助电源电路设计

本系统采取的器件中有些是有源器件，有源器件对供电电压哀求不一，故本系统须要设计赞助电源，对不同器件进行供电［8］。
本系统中，紧张是对驱动芯片TLP250和主控模块分别进行供电。
TLP250的供电电压设计为12 V，主控模块设计的供电电压为5 V。
对付12 V电源设计采取三端集成稳压器LM7812作为12 V赞助电源稳压器，LM7812三端稳压器外围电路大略，输入电压最大可达40 V，输出电压为稳定的12 V，采取LM7812可将系统输入的25 V旁边直流稳压至12 V给TLP250供电，其电路图如图8所示。

5 V赞助电源的设计采取三端集成稳压器LM7805，LM7805外围电路大略，输出电压稳定，采取LM7805可将12 V转为5 V。
其电路设计如图9所示。

2.6系统掌握算法软件实现

软件设计紧张完成以下事情：（1）利用AD对输出电压采样，利用PID算法进行快速PWM脉宽调制，使输出电压稳定；（2）通过按键掌握输出电压实现步进调制；（3）能通过LCD液晶显示输出电压值。
为使程序易于编写、查错、测试、掩护、修正、更新和扩充，在软件设计中采取了模块化设计，将全体软件划分为初始化模块、ADC旗子暗记采集模块、PID运算处理模块、PWM波天生模块、液晶显示模块以及按键设置模块。
个中，以PID运算处理模块为核心，软件主流程图如图10所示［910］。

3实验结果及剖析

数字掌握开关电源的设计指标：输入电压互换220 V±20 V；输出电压可调范围为5~20 V；输出电压精度小于±5%，且步进1 V可调，同时具有输出电压数字显示功能；负载调度率≤2%，输出纹波≤100 mV，电源效率≥75%；最大输出功率为60 W。
数字电源设计完成后的电路实物图如图11，对其进行测试，测试仪器选用FLUKE 17B数字万用表以及RIGOL MSO2202A数字存储示波器。
下面分别给出输出电压精度测试、电源效率测试、纹波测试以及负载调度率测试结果。

3.1输出电压精度测试

首先对开关电源所带负载分别为空载和有载情形下进行输出电压精度测试，结果分别如表1和表2所示，个中表中的UO为理论电压值，U′O为实际输出电压，从表中可以看出电源空载和有载运行时，其偏差最大为5%，完备达到设计哀求。

3.2电源效率测试

本文对电源效率的丈量采取打算法，在开关电源接入轻负载和满负载的情形下分别进行测试。
轻负载测试条件选择输出电压10 V，输出电流1 A。
开关电源系统正常事情情形下，输出接入10 Ω/20 W功率电阻，输出电压调至10 V，此时测得输入电压Uin为25.1 V，输入电流Iin为0.45 A，输出电压UO为9.8 V，输出电流Io为0.97 A。
根据效率打算公式可得轻负载条件下的效率为：

满负载测试条件选择输出电压20 V，输出电流3 A。
开关电源系统正常事情情形下，输出接入6.5 Ω/100 W功率电阻，输出电压调至20 V，此时可测得Uin为25.2 V，Iin为3.1 A，测得UO为20.2 V，Io为2.95 A。
同样可以算出满负载条件下的效率为：

从上面打算可知系统在轻负载和满负载情形下系统效率均大于75%，符合设计指标哀求。

3.3纹波测试

本文所设计的开关电源输出的纹波属于高频窄波，以是选择峰峰值作为开关电源纹波的丈量方法。
输出纹波在轻负载和重负载测试结果分别如图12和13所示。
从图中可以看出在轻负载情形下，纹波最大值为52 mV，在重负载情形下，纹波最大值为84 mV，完备符合设计指标小于100 mV的哀求。

3.4负载调度率测试

负载调度率的测试方法为在互换输入情形下，分别丈量负载为空载和重负载的直流输出电压U1和U2，然后根据式（5）可得到负载调度率。

通过测试得到U1为15.2 V、U2为14.8 V，则打算得到负载调度率为：

4结论

本文设计了一个数字掌握直流开关电源系统，系统的设计过程为：系统的方案论证、核心器件的选型、模块化的硬件设计、系统的软件设计和系统的综合调试。
从测试数据来看，本设计的指标都已达到设计哀求，电压精度、输出电压纹波、负载调度率、AC/DC变换效率等都很好地知足了设计哀求。

参考文献

［1］胡赛纯,印超.基于TMS320F2812的反激式数字开关电源设计［J］.湖南城市学院学报(自然科学版),2014,23(1):2731.

［2］徐涵.基于蓝牙的心电采集和传输系统设计与实现［D］.上海：东华大学，2013.