1、开关稳压电源技术报告开关稳压电源技术报告目录摘要.3关键字.31. 设计任务与要求.31.1 设计任务.31.2 设计要求.31.3 题目评析.42. 方案比较与选择.43. 系统硬件设计.53.1 系统的总体设计.5 3.1.1 系统设计思想.5 3.1.2 系统总体框图.53.2 单元电路功能以及工作原理的分析.5 3.2.1 BUCK变换器.6 3.2.2 主控电路.83.3 单元电路的设计，单元的单数计算.9 3.3.1 开关变换.9 3.3.2 输出整流滤波.9 3.3.3 采样电路.10 3.3.4 PMOS驱动电路.103.4 发挥部分的设计与实现.10 3.4.1 过压保护.1
2、0 3.4.2 过温保护.11 3.4.3 过流保护.114. 系统软件设计.114.1 系统总体流程图.114.2 各功能模块流程图.124.2.1 反馈模块.124.2.2 按键模块.125. 系统的调试.125.1 系统软件调试.125.2 系统硬件调试.135.3 系统整机调试.136. 系统的测试.136.1 电路的测试方案.136.2 测试仪器.136.3 测试结果.146.4 发挥部分的测试.197. 系统电路的存在不足与改进方向.19参考文献.20附录.21 附录1.21 附录2.28摘要 本系统采用BUCK变换器实现DC-DC变换，以基于ARM的最小系统为控制单元，通过对输出
3、电压不断地采样，反馈输出变化，调整占空比使输出稳定，并且可通过按键、数码显示实现输出电压数控。此外，系统加以输入过压、输入过流、输出过流、开关管过热等保护电路，保证系统稳定可靠地工作。关键字 LPC2132 PWM脉冲宽度调制 BUCK变换器 反馈一、 设计任务与要求1.1 设计任务设计并制作一个小功率开关稳压电源示意图如下：1.2 要求1.2.1 基本要求 1) 输入电压：Io时，电容在充电。这时续流二极管承受反向电压 截止（开关S位置在B）由导通到截止，线圈L中的磁场改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流iL不变。负载R两端电压仍是上正下负。iLIo时，电压处在放电状态，有利于维持Io、V
4、o不变。这时二极管D1，承受正向偏压为电流iL构成通路 按电感电流IL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和电感电流不连续工作模式。波形图如下：电感电流连续电感电流不连续 输出电压Vo与PWM波占空比成线性关系电压增益由开关接通时占空比D1决定，即变换器有很好的控制特性。当电感L较小，负载电阻较大，或Ts较大时，将出现电感电流已下降到0，新的周期却尚未开始的情况。当新的周期来到时，电感电流从0开始，线性增加。 D2PMOS管截止，续流二极管导通占空比 储能电感L与负载电阻R周期时间Ts乘积的比率由于电感电流连续工作模式下，变换器有很好的控制特性；电感电流不连续工作模式下，电感放
5、完电，电感与电容容易产生振荡，从而影响输出电压的纹波；又相同的占空比，输出电压在不连续模式工作模式下比大，效率高。综上所述，最理想的情况是BUCK变换器工作于临界状态，所以我们采用两种方法：增大电感值，增加电感储能，延长放电时间 提高开关工作频率，减小开关断开的时间使PMOS管工作在电流连续状态。3.2.2 主控电路 本系统以基于ARM的最小系统作为主控电路，实现按键设定数码显示输出电压、PWM波输出、输出反馈等功能。最小系统是以LPC2132为核心，扩展ZLG7290(通过IIC通信实现按键、数码管显示)，电源电路，晶振电路，复位电路等其他模块。其框图如下：图4 最小系统框图其中核心器件LP
6、C2132的片上资源：1) ARM7TDMI核、最高工作频率66MHz；2) 16KB 片内SRAM，64KB 片内FLASH；3) 2个32位定时器；4) 2通道UART、2个多主I2C总线控制器、2个SPI总线控制器；5) 6通道PWM定时器及一个内部定时器；6) 47个通用I/O口；7) 9个外部中断源；8) 8通道10位ADC，转换时间低至2.44us ；9) 10位DAC；10) 实时时钟、看门狗；11) 片内Boot装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP）；12) 2个低功耗模式：空闲和掉电通过片内的PWM、A/D模块实现PWM波输出功能、输出反馈功能，再通过扩展ZLG7
7、290模块实现按键设置数码显示功能。3.3 单元电路的设计，单元的单数计算3.3.1 开关变换电路 电子开关只是快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有力求快速，使开关快速地渡过线性放大工作区，状态引起的损耗才小。目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐渐普及的有IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件，例如SITH(静电感应晶闸管)和MCT（场控制晶体闸流管）。基于我们设计的是小功率开关稳压电源，并且功率场效应管的开关特性较好，所以我们选择MOS管作为开关；又由于普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源
8、极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了，所以我们选择PMOS管。考虑到开关的工作频率大概几十kHz，我们选择IRF9530高速PMOS场效应管Vds：100V Id：12A Pd： 75W 符合设计要求所需3.3.2 输出滤波整流电路 输出滤波整流电路由续流二极管、电感和电容组成。考虑续流二极管在PMOS管截止时导通，消耗能量，又工作于高速状态，所以我们采用了低功耗、大电流、超高速的肖特基二极管IN5817，其特性如下： 最大峰值反向电压：40V 最大反向有效值电压：28V 最大直流阻断电压：4
9、0V 最大正向平均整流电流：1A 最大正向压降：0.6V（1A）由BUCK变换器原理分析可知，为了使电路工作在电感电流连续模式下，又纹波电压所以电感应该尽可能取得大，我们选择的电感为8mH 电容主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。电容与电感相当于一个低通滤波滤器，其截止频率定义为 考虑到电容上等效串联电阻的损耗，我们选择的电容为1000uF。此时截止频率约为562Hz，可见对于几十kHz的PWM波有很好的滤波效果3.3.3 采样电路 由于LPC2132片内的A/D采样范围为02.55V，而buck变换器的输出为512V远超过采样范围，我们采用电阻分压，使输出电压缩小5倍，随后通过软件将
10、采样值放大5倍恢复为实际输出电压。采样电压采样电路见图23.3.4 PMOS驱动电路 PMOS的特性，Vgs小于阈值电压才导通，IRF9530的阈值电压，又源极电压为输入电压15V，所以栅极电压必须达到11V以上才截止，从而工作于开关状态。而LPC2132输出的PWM波，高电平为3.3V，不能使PMOS管截止，所以我们通过一个三极管作为开关来实现，PWM波低电平时三极管截止，集电极电压大约为15V，PMOS管截止；高电平时三极管导通，集电极电压大约为0V，PMOS管导通。考虑到三极管工作于几十kHz的频率，我们选择了9018低噪声高频放大管3.4 发挥部分的设计与实现3.4.1 输入过压保护当
11、输入电压在正常范围，输入采样电压小于基准电压，比较器输出低电平；当输入过压，输入采样电压大于基准电压，比较器输出高电平，ARM产生外部中断，发出警报，封锁PWM信号，使PMOS管截止，从而保护电路损坏图5 输入过压保护电路3.4.2 过温保护RT为负温度系数的热敏电阻，它与R1构成分压器，紧贴于功率开关器件PMOS的表面，温度升高时，RT阻值下降，适当选取R1的阻值，使比较器在设定的温度阈值动作。过温时，产生类似于过压保护的PWM封锁信号。图6 过温保护电路3.4.3 过流保护通常是采用霍尔电流传感器直接检测PMOS的电流Id，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用
12、间接电压法，检测过流时PMOS的电压降Vsd，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vsd增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vsd并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。3.5 系统总体电路原理图图7 系统总电路原理图四、 系统软件设计4.1 程序总体流程图图8 软件总体流程图考虑到电感电流要工作在连续状态，又为了便于控制占空比，我们选择频率为11.0592MHz/40027.648kHz，即PWMMR0 400，占空比的精度1/4000.25。4.2 各个功能模块流程图4.2.1 占空比调整模块 图9 占空比调整模块流程图其中通过定时进行A/D采样，部分程序如下：定时中断采样
13、函数void _irq IRQ_Time1(void) AD_Read(); T1IR = 0x02; / 清除中断标志 VICVectAddr = 0x00; / 通知VIC中断处理结束void AD_Read (void) ADCR|=(18)&0xFF; sdatai=ADC_Data; i+; if(i=12) i=0; AD_flag = 1; 4.2.2 基准值设置模块图10 基准值设置模块流程图4.3 程序清单见附录1五、 系统的调试5.1 软件调试编写程序控制片内PWM模块输出PWM波，通过对寄存器PWMMR2写值控制PWMBO波的占空比，对PWMMR0写值设定PWM波的频率，
14、通过数字示波器观察，输出的PWM波达到系统所需。通过对采样值的观察，发现因为输出电压有较大的纹波，A/D采样值与实际值有较大的偏差，所以我们通过采样12点，去掉最大值、最小值，再取平均值，来减小误差。最后处理过的采样值与实际值很接近，在误差允许的范围内。5.2 硬件调试用信号发生器产生占空比可控、幅值为3.3V的矩形波代替PWM波来控制PMOS管工作，用数字示波器观察三极管集电极、PMOS栅极、PMOS源极、最后输出各点的波形，通过调整三极管设计电阻来改善PMOS管栅极波形的上升沿；通过输入电压并联电容改善PMOS栅源电容的过充现象。通过这些初步调试，使各点波形趋于正常，占空比能初步控制输出电
15、压变化。5.3 整机调试将ARM的PWM波输出到BUCK变换器，A/D对输出电压采样。通过对如下调试过程遇到问题的解决，最后输出基本达到设计要求。1) MOS管源极接高，在栅极加PWM波，漏极输出始终为高。原因：电感太小，储能小，放电时间快，电源工作在不连续状态。2) ARM输出PWM波，MOS管漏极波形与栅极不匹配。原因：PWM波频率不够高，电源工作在不连续状态。3) 10K以上频率的PWM波输给OC门（9013）基极，集电极输出波形占空比减小。原因：9013速度不够快，换上9018可以。4) MOS管栅极PWM波上升时间过长。原因：栅极电流较小，对栅极电容充电较慢，降低拉高电阻后明显改善。
16、5) 输出纹波较大。改善过程：原则：从燥声源入手，然后再滤波。输入电源加滤波，效果有所改善。在续流二极管加100-1000P电容，效果不明显。 在输出加1000P，0.01UF，0.1UF电容，效果不明显。 在输出加LC滤波（L40uH，C110uF，C20.1uF），效果明显，但仍然有高频脉冲，再加小电容，没改善。6) 地上纹波很大，约有70mV。原因：接地面积小，干扰影响大。在地上接电感，效果不明显；加大接地面积，纹波减小30mV左右。六、 系统的测试6.1 电路的测试方案图11 测试方案框图6.2 测试仪器三位半数字万用表（MASTECH my61）直流电源（MOTECH LPS305）
17、数字示波器（Tektronix TDS 1002）6.3 测试结果1) 在输入电压为15V，负载分别为200ohm,150ohm,100ohm时，输出电压的精度测试5V5.5V6V6.5V7V7.5V8V200ohm5.015.535.986.507.037.518.04150ohm5.025.615.956.526.977.468.02100ohm5.035.526.006.527.007.478.008.5V9V9.5V10V10.5V11V12V200ohm8.498.949.599.9910.5111.0112.01150ohm8.518.939.569.9410.5111.0012.02100ohm8.508.949.609.9910.5011.0211.99 表一由表一可以看出，输出电压在5V12V可调，误差满足两位半要求。2) 在输入电压为15V，负载电阻为额定电阻时（即电流为500mA），输出纹波电压和效率测试标定电压5V6V7V8V9V10V11V12V负载电阻10ohm12ohm14ohm16ohm18ohm20ohm22ohm24ohm实测电压5.01V5.96V6.94V8.01V8.96V9.99V11.01V11.81V输出电流501mA497
