三项正弦变频电源.doc

07年全国大学生电子设计竞赛电子科技大学成都学院获奖队伍论文
开关稳压电源(E题)
摘要
本设计采用可调直流电平与三角波比较输出PWM波,控制功率开关管HUF75652G3,与铁氧体电感构成BOOST拓扑DC-DC升压主回路。采用C8051F020单片机作为主控制器,利用其内部自带的AD完成对输出电压、电流的检测并通过DA控制PWM波产生模块完成对输出电压值的设定。输出电压的稳定则由软件反馈控制自制PWM发生器输出脉宽变化实现。单片机检测电流并实现过流保护,电流值正常后控制主电路恢复工作。系统采用ZLG7290控制的键盘进行输入控制,采用128×64点阵的LCD作为输出显示,操作灵活,界面友好。经测试,系统效率达90%,%,%,其他各项指标也都满足题目最高要求。
关键词:PWM产生,BOOST, C8051F020,软件反馈
一系统核心方案论证
DC-DC主回路拓扑
由题意,输出电压最小值为30V,Uin最大值为21×√2V,略小于30V,能判断DC-DC部分可做成升压模块。
方案一:采用电压型推挽方式加正激变压器方式升压。升压容易实现,但控制不好会使两个开关管占空比不一致,造成单管发烫,影响效率;或死区时间达不到要求,有烧毁开关管的危险,且引入隔离变压器还会对系统及制作带来负担。
方案二:BOOST型DC-DC升压方式,如图1。使用单开关管,能降低开关管损耗,且控制容易,电路较为简洁,但在功率较高的情况下,电感设计要求较高,经验成分多,设计不好会造成过大的冲击电流,影响效率也容易使开关管损坏。
图1 BOOST升压
方案选择:根据题目要求,最大功率为70W,属于中小功率范围,可以不采用隔离变压器,故折衷考虑,采用较为简洁的方案二。
控制方案
DC-DC模块控制方案
方案一:采用集成的开关电源控制芯片,外围器件少,PWM波形精确,性能良好,但由于集成度高,功能较为固定,扩展性不强。
方案二:采用可调电平与可调三角波比较的方式产生PWM波,模块元件较多,但调节范围宽,可移植性好,扩展能力强,与单片机搭配,对系统的控制更为方便。
方案选择:题目要求苛刻,需要宽范围调节,故选方案二,较为灵活。
反馈控制方案
方案一:采用硬件反馈的方式。采样电压与基准在误差放大器中比较,产生直流电平改善输出PWM波的占空比以稳定输出电压,电路简单,容易实现,但由于硬件反馈灵敏,容易造成环路增益的不稳定,产生自激,输出纹波变大,效率下降。试验后发现,要想精确控制,调节困难。
方案二: 采用软件反馈的模式。单片机对输出电压采样,与设定电压对比后,由DA输出控制电平调节PWM波,对输出电压进行控制,还可进行电流采样,实现过流保护与输出电压电流显示。此方案需要大量的软件调试,但反馈稳定,不会造成系统自激。缺点是反馈调节速度较慢。
方案选择:根据题目要求,硬件反馈容易自激,可能会带来效率的下降与系统的不稳定,权衡下选用方案二。
数字控制方案
方案一:采用通用89S52单片机作为系统的控制核心。因为其通用性,很容易找到相关资料,使用容易,但其处理速度不够快,且需要外加AD、DA,增加系统功耗,并会增加不稳定性。
方案二:采用8051内核的单片机C8051F020,编程容易,速度快,片内内带AD、DA,可以轻松完成对输出电压,电流的检测,并与电源管理模块搭配控制输出电压的步进,完成对系统的过流保护与重启。
方案选择:从高效,稳定,简洁的角度出发,我们选用方案二。
提高效率的方法
方案一:对MOSFET采用零电压开启,关断的方式,避免开关管在硬开关条件下的过大损耗,从而大大提高效率。
方案二:在电路设计时精益求精,选择合适的开关管与续流二极管等器件,注意减少电感的铜损与铁损,并注意绕制电感的方法,减小磁芯损耗。在不操作键盘的情况下,关闭LCD显示以节能,从细微处出发提高系统效率。
方案选择:从题目及选择的DC-DC主回路拓扑出发,尽量做到方案一与方案二都可以采纳并运用的设计中,所以采用两种方案结合的方式提高效率。
二核心电路设计与参数计算
主回路电路设计及参数计算
-VCC
主回路电路框图如图2所示:Uin
储能电感L
滤波
MOSFET
PWM
产生
软件反馈
单片机
VCC
PWM
输出
图2 主回路框图
器件的选取
MOSFET是开关电源里的核心器件,为了达到效率的要求,应尽量选取导通电阻小,漏极开关时间短的器件。折衷考虑,我们选择HUF75652G3,其主要参数为VDSS =100V,ID = 75A,RDS =8m,Qg =341nC,满足