摘要：本設計應用隔離型回掃式DC-DC電源變換技術完成開關穩(wěn)壓電源的設計及制作。系統(tǒng)主要由整流濾波電路，DC-DC變換電路，單片機顯示與控制電路三部分組成。開關電源的集成控制由脈寬調(diào)制控制芯片UC3843及相關電路完成，利用單片機進行D/A轉(zhuǎn)換，完成對輸出電壓的鍵盤設定和步進調(diào)整，同時由單片機A/D采集數(shù)據(jù)利用數(shù)碼管顯示出輸出電壓和電流。系統(tǒng)具有輸出電壓可調(diào)范圍寬、噪聲紋波電壓低和DC-DC變換效率高等特點。此外，該系統(tǒng)還具有過流保護功能，排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)。

一、 方案論證

圖1為開關電源系統(tǒng)的結(jié)構圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)分為三個部分：電路電源、控制回路和顯示設定部分。

DC-DC主回路拓撲結(jié)構

主回路拓撲結(jié)構分為隔離式和非隔離式兩種。非隔離式拓撲結(jié)構(圖2所示)，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，而隔離式單端反激式拓樸結(jié)構(圖3所示)的輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，確保當開關管導通，驅(qū)動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。其優(yōu)點就是路電結(jié)構簡單，適用于 200W以下的電源且多路輸出交調(diào)特性相對較好。故我們訊用隔離式的拓撲結(jié)構。

控制方法及實現(xiàn)方案

方案一：采用脈沖頻率調(diào)制PFM (Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開關頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。輸出電壓的調(diào)整范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。

方案二：采用脈沖寬度調(diào)制PWM (Pulse Wildth Modulation)的控制方式，其特征是固定開關的頻率，通過改變脈沖寬度改變占空比,控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。

基于上述考慮及題目的具體要求，我們選用PWM調(diào)制方式。

3.提高效率的方法及實現(xiàn)方案

針對于提高效率的問題，我們想出了兩種方案。

方案一：降低開關變壓器次級的輸出整流管VD2的損耗，進而提高變換效率。可以選擇肖特基二極管，其正向傳輸損耗低，而且不存在快回復整流管的反向回復損耗。

方案二：使震蕩器頻率與開關變壓器的頻率相匹配，可以提高效率。采用RC震蕩電路可以改變震蕩頻率，使之與開關變壓器的頻率相匹配，達到提高變換效率的目的。

二、電路設計與參數(shù)計算

主回路器件的選擇及參數(shù)計算

(1) 開關電源集成控制器

相比于其他芯片，UC3843外電路接線簡單，所用元器件少，且性能優(yōu)越，成本低，驅(qū)動電平非常適合于MOS場效應管。

(2) 推動功率管選擇

推動電路選擇功率MOSFET場效應管，因為功率晶體管是電流驅(qū)動，場效應管是電壓驅(qū)動，而且開關速度快，對溫度不敏感。本設計需輸出的最大功率為90W左右，同時輸入電壓為18V左右，故本設計采用P60NF06型MOSFET場效應管。

(3) 開關變壓器的設計

開關變壓器是一種以隔離方式傳輸能量的電抗器，和功率MOSFET管串聯(lián)而成。

電流臨界連續(xù)時原邊電感： ，其中Uimino 為變壓器原邊輸入的最小直流電壓，Ts為開關周期，P為輸出功率，η為變換效率。

開關變壓器磁芯氣隙為： ,B為鐵芯工作磁感應強度，SC為鐵芯截面積，K為最小輸出功率與額定輸出功率之比。

原邊繞組匝數(shù)為 原、副邊繞組匝數(shù)比為 ,UD為輸出整流二極管壓降、U O2為副邊繞組，N2為輸出電壓。同理可求得其他匝數(shù)比。

2.控制電路設計與參數(shù)計算

控制部分由UC3843產(chǎn)生的PWM波控制MOSFET管的開關狀態(tài)，由于MOSFET管的開關狀態(tài)使開關變壓器的初級線圈產(chǎn)生交變電壓，開關變壓器的次級通過整流濾波電路輸出所需的直流電壓，同時通過TL431電壓調(diào)整電路控制光耦回路，返回到UC3843的電壓檢測端，使之達到穩(wěn)壓。

UC3843的工作頻率

3.效率的分析及參數(shù)計算

(1) IO=2A，當U2從15V到21V時，電壓調(diào)整率 。

(2) U2=18V，IO從0A到2A時，負載調(diào)整率

(3)DC-DC變換器效率 ,其中

4.保護電路設計與參數(shù)計算

本設計具有兩級保護功能：單片機軟件控制保護和UC3843自帶保護功能。

(1)在電源輸出端，單片機利用電流傳感器對電流進行取樣，經(jīng)過LM324放大器的放大作用后，被送入AD采集芯片AD1543中，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機進行檢測，當電流大于設定值時，單片機控制繼電器斷開負載，以保證電源的正常工作。

(2) UC3843正常工作時，檢測電阻RS 峰值電壓由內(nèi)部誤差放大器控制，滿足 ,其中為UC為誤差放大器的輸出電壓， IS為檢測電流。

UC3843的內(nèi)部電流測定比較器反相輸入端箝位為1V，最大限制電流IS=1V/ RS 。在RS 和3腳之間，用R、C組成一小的濾波器，用于抑制功率管開通時產(chǎn)生的電流尖峰，其時間常數(shù)近似等于電流尖峰持續(xù)時間。

當動作電流超過2.5A時，電源能自動斷開負載，排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)。

5.數(shù)字設定及顯示電路的設計

如圖所示，單片機檢測鍵盤，并把鍵值送給DA轉(zhuǎn)換芯片MAX504, 12位的數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換成模擬信號，送到電壓調(diào)整部分，進而設定輸出電壓。單片機實時利用TLC1543芯片進行AD采集，將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號，并送到數(shù)碼管進行顯示。

7.軟件部分設計

單片機系統(tǒng)流程圖如圖所示。

三、測試方法與數(shù)據(jù)

測試方法

將各電路模塊連接起來，先輸入18VAC，用萬用表的電壓檔測量輸出電壓的可調(diào)范圍;再用電流檔測試最大輸出電流;使輸出電流固定為2A，調(diào)整U2從15V到21V，用萬用表的電壓檔測量出UO變化范圍;使U2固定為18V，調(diào)整IO從0A到2A，用萬用表的電流檔測量出UO變化范圍;使U2=18V，UO=36V，IO=2A,利用示波器讀出紋波的峰—峰值;使U2=18V，UO=36V，IO=2A，利用萬用表的電壓檔測量出UIN 再用電流檔測量出IIN 。