开关稳压电源系统设计方案

电压100 V，最大漏极电流57 A，通态电阻25 mΩ，最高开关频率超过1 MHz。

　　2. 1. 3 快恢复二极管选取

　　二极管选取依据是通态平均电流：

　　式中，η 为波形系数； IF（ AV） 是实际通态平均电流。考虑到实际系统控制时占空比的变动性，依据最大峰值电流（ 5. 75 A） 选取FR607。

　　2. 1. 4 输出滤波电容选取

　　设计输出电压的纹波小于200 mV，考虑到负载电流可能达到3 A，滤波电容Cf计算如下：

　　实际选用1 000 μF /50 V 的电解电容。

　　2. 2 控制电路设计与分析

　　Boost 变换器控制电路如图（ 2） 所示，输出电压经取样电阻R1、R2反馈到UC3842 的电压误差放大器的反相输入端，与其内部基准电压Uref比较之后得到误差电压Ue，经过电压调节器，送入UC3842 的电流比较器，与主开关源极上的取样电阻Rs上取得的电流信号进行比较，产生PWM 输出。电压调节器为PI 调节器（ 在该芯片1 脚和2 脚之间并积分电容和比例电阻） .　　2. 2. 1 开关频率的设计

　　开关频率由UC3842 第4 脚锯齿波发生器的定时电容、电阻确定其计算公式为：

　　根据UNITROD 公司关于UC3842 的特性图表，考虑到实际运行时脉宽占空比可能大于0. 5，选取Rt =16 kΩ，Ct = 9. 4 nF，对应的开关频率为11 kHz。

　　2. 2. 2 电压反馈取样电阻

　　最高输出电压为36 V，电压调节器的参考电压为2. 5 V，反馈网络按无稳态误差原则设计，即：

　　取R1 = 35 kΩ，计算得R2 = 8. 5 kΩ。

　　2. 2. 3 电压调节器设计

　　电压误差放大器为比例积分放大器，Kp = 10，Ki =1 /3000。

　　2. 2. 4 电流取样电阻Rs

　　系统能正常工作的必要条件是送入UC3842 的电流取样端（ 3 脚） 的信号小于1 V，且能达到电压调节器送到电流比较器输入端信号的大小。设开关管的电流峰值时的信号大小为500 mV，则：

　　实际系统用3 个0. 33 Ω 电阻并联。

　　2. 3 保护电路设计与计算

　　由于主电路采用Boost 电路，单纯的封锁开关管的驱动信号并不能满足在线过流保护的要求。

　　为了实现系统自恢复，在Boost 输出和负载之间增加Buck 电路。Buck 电路的开关管由单片机直接控制，采用电流霍尔作为电流传感器，单片机通过AD（ MAX197） 实时取样输出电流信号。当系统正常工作时，Buck 开关管直通； 一旦出现过流故障，单片机检测到故障信号后，可以两种方式实行保护，一种是限流输出保护方式，另一种是封锁输出保护方式。在限流输出保护方式下，单片机发出PWM信号，控制Buck 开关管，降低输出电压，从而达到限制输出电流的目的，同时在液晶上显示故障。过流故障解除后，在输出封锁保护方式下，单片机发出Buck 开关管的封锁信号，切断输出电流。之后单片机每隔0. 5 s 发出封锁解除信号，若过流故障排除，单片机停止发出封锁信号，系统恢复到正常状态。

　　加入Buck 电路后系统成本有所增加，但Buck 电感和电容正好构成了二级输出滤波器，以进一步降低纹波。由于正常运行时，Buck 开关管处于直通状态，对效率影响甚微。

　　2. 4 人机接口设计

　　本系统中的人机接口包括键盘和液晶显示器。考虑到要求输出电压进行键盘设定和步进调整，需要大量按键（ 如0 ～ 9 数字键，+、－ 键，取消、确认键等） ，PS2 键盘的小键盘区刚好满足此要求，又PS2 键盘通过PS2 协议与单片机进行串行通信，接口简单，易于实现，因此采用PS2 键盘作为系统输入设备。设计指标又要求能显示输出电压、电流的测量值等系统信息，为了更好地美化显示界面，采用控制器为RA8803 的240× 128 带国标字库液晶显示器。液晶显示器通过并行数据总线与单片机进行通信。

　　2. 5 辅助电源设计

　　另外制作了小型的开关电源电路，用作系统控制部分的工作电源。此小型开关电源的直流输入连接到主电路整流滤波输出之后，主电路接上交流输入电以后，开关电源开始工作，向控制电路提供工作电源。辅助电源设计为+ 5 V/100 mA、± 12 V/100 mA。

　　2. 6 效率分析及计算

　　2. 6. 1 控制电路功耗

　　经实际测试控制电路各个部分的功耗如表1 所示。

表1 控制电路主要器件正常工作时功耗

　　2. 6. 2 Boost 主开关管功耗

　　主开关管功耗由两部分构成： 开关损耗和通态损耗。开关损耗估算为：

　　式中，UDS为开关管阻断电压的峰值； IDS为开关管电流的峰值； tr为开关管上升时间； trd为开通延迟时间； tf为开关管下降时间； tfd为关断延迟时间； fs为开关频率。

　　查阅IRF3710 手册相关数据和以上相关计算数据求得Pds = 0. 08 W。可见降低开关频率能明显降低开关损耗。

　　通态损耗为：

　　式中，ID为通态平均电流； Ron为通态电阻； D 为平均占空比。经粗略计算得出Pdon = 0. 09 W。

Boost 二极管的损