一种程控开关稳压电源设计方案

 引言

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。由于拥有较高的效率和较高的功率密度，开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。开关电源高频化、模块化和智能化是其发展方向。其中，步进可调、实时显示是开关电源智能化研究方向之一。本文设计了一种开关电源方案，其技术指标为：输出电压30V至36V可调，最大输出电流2A，有过流保护功能，能对输出电压进行键盘设定和步进调整、步进值1V，并能实时显示输出电压和电流的开关稳压电源。

方案论证与比较

主控CPU的选择

方案一：采用AT89S51单片机进行控制。51单片机外接A/D和D/A比较简单，但是由于51单片机功能简单，对于这种复杂的系统来说做起来比较复杂。

方案二：采用超低功耗单片机MSP430F169，这是一个完全集成的混合信号系统级MCU芯片。内部集成12位的A/D芯片和D/A芯片，且这个单片机资源非常丰富。采用JTAG方式，可通过USB口在线下载调试，使用十分方便，并且低功耗便于整体效率的提高。

DC-DC主回路拓扑的方案选择

DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，隔离变压器绕制复杂，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案：

方案一：BUCK拓扑。如图1所示，开关V1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo=D×Vd（D≤1），由于输入电压为18V，输出电压20V~36V，故不能满足要求。

图1 BUCK拓扑

方案二：BOOST拓扑。如图2所示，开关V1导通时电感储能，截止时电感能量输出。只要电感绕制合理，能达到要求的输出电压30V~36V，且输出电压Uo呈现连续平滑的特性。

图2 BOOST拓扑

方案三：BUCK-BOOST拓扑。如图3所示，由于电路属于升降压拓扑，控制比较复杂，因本题只需升压，故选择方案二。

图3 BUCK-BOOST拓扑

控制方法的方案选择

方案一：采用单片机产生PWM波，控制开关的导通与截止。根据片内A/D采样后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经片内A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。

方案二：采用恒频脉宽调制控制器TL494，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1kHz~300kHz，输出电压可达40V，内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。

鉴于上面分析，本设计选用方案二。

电流工作模式的方案选择

方案一：电流连续模式。

电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得到及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。

方案二：电流断续模式。

断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗也非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。

鉴于上面分析，本设计选用方案一。

提高效率的方案选择

影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗、单片机及外围电路供电电路的效率和DC-DC变换器的效率。本设计采用了超低功耗的单片机MSP430F169，高转换效率的芯片对外围电路进行供电，并且采用低损耗的元器件和优异的控制策略。

详细软硬件分析

硬件整体框图设计

如图4所示，单片机通过键盘控制电压的步进，经过单片机控制D/A提供一个参考电压，与输出电压的反馈分压进行比较，在TL494内部的电压误差放大器产生一个高电平或低电平，控制脉宽变化，来达到调整输出电压的变化，反复调整后使输出达到设定的值为止。参考电压输出后电压的反馈调节是由TL494自动调节，调节速度快。

图4 系统整体框图

理论分析与参数计算

主回路器件的选择及参数设计

磁芯和线径选择。当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于总导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。线径的选择主要由本系统的开关频率确定。