中心議題：
       *帶過載保護的開關(guan) 穩壓電源設計

引言

近年來，隨著我國農(nong) 產(chan) 品需求量的增加，農(nong) 業(ye) 自動化水平的提高，以及大量農(nong) 業(ye) 機械、電氣照明和溫控設備的增加，農(nong) 業(ye) 電耗逐年增加，生產(chan) 成本不斷提高。隨著電子技術的迅猛發展，開關(guan) 穩壓電源已作為(wei) 一種較理想的電源為(wei) 人們(men) 所使用，其運用功率變換器進行電能變換，能夠在滿足各種農(nong) 業(ye) 用電的前提下，降低電耗，其高效節能可帶來巨大的農(nong) 業(ye) 經濟效益。然而當前的農(nong) 業(ye) 用開關(guan) 穩壓電源，雖然體(ti) 積小，效率高，但輸出電壓的紋波較大 ，難以保證輸出電壓高穩定性，常常影響農(nong) 用機械和電氣設備的連續生產(chan) ，反而增加了耗能。為(wei) 此，本文提出一種新的帶過載保護的開關(guan) 穩壓電源設計方案，能為(wei) 農(nong) 用大型機械和農(nong) 業(ye) 照明設備電路提供穩定的電源，具有比較廣闊的應用和發展前景。

1 　方案論證

1. 1 　DC2DC主回路拓撲電路方案論證

目前，DC2DC 主回路設計方案可考慮的方案有3 種。

（1） 單端正激式電路。該電路的電路原理圖如圖1 所示。

該方案結構簡單，成本低，但變壓器鐵心易磁化，MOS 管導通時向負載供電，變壓器並沒有實現充分利用，效率不高，而且輸出電壓紋波大。該方案實現簡單，目前為(wei) 大部分農(nong) 業(ye) 機械和電器設備采用，但難以保證穩定持續的工作，應用效果並不理想。

（2） 全橋整流式電路。圖2 所示為(wei) 全橋整流式電路。該方案采用了4 個(ge) MOS 管，工作時對管同時導通，半周期內(nei) Q1、Q3 導通，Q2、Q4 截止，然後Q2、Q4 導通，Q1、Q3 截止。這樣的工作方式使每半周期都有2 個(ge) MOS 管來分壓，對MOS管的耐壓要求就降低了，適用於(yu) 高壓場合，但由於(yu) 使用了4個(ge) MOS 管，使得損耗功率增加，開關(guan) 損耗同時增加。考慮到農(nong) 業(ye) 機械一般功率較大，采用該方案必然降低電能利用率，導致大量的能耗損失。

（ 3） 雙管推挽放大電路。圖3所示為(wei) 雙管推挽放大電路。該方案采用了2 個(ge) MOS 管輪流導通，比采用4 個(ge) MOS管損耗低，而且輸出電壓比單端方式的要穩，為(wei) 達到設計所需要的效率，本文選用了該方案。

1. 2 　控製方法及方案論證

1. 2. 1 　鍵控、穩壓及顯示控製

常用的方案有2 種。

（1） 數字芯片方案。采用數字電路搭建控製平台，用tlc4066 與(yu) 74ls07 通過按鍵用74ls07 計數，並通過4066 來選通分壓電阻的電壓，輸入給PWM芯片，從(cong) 而控製輸出電壓。用A/ D 采樣給數碼管顯示，但A/ D 控製不易實現而且顯示部分電路難以實現。

（2） 嵌入式方案。采用51 單片機小係統板對PWM芯片進行控製，並對A/ D 和D/ A 進行控製和采樣。采用以7279 為(wei) 核心的按鍵掃描顯示模塊進行鍵控和顯示。該方案編程比較容易，控製很方便，顯示也很容易實現。經綜合比較考慮，筆者選擇采用嵌入式解決(jue) 方案。

1. 2. 2 　PWM芯片的選取

TL494 是很常用的PWM芯片，但是外圍電路複雜，缺少圖騰柱式輸出，且驅動能力不強。而SG3525 芯片的驅動能力要比TL494 強，性能穩定，並且以圖騰柱式輸出，驅動變壓器設計簡單，外圍電路比TL494 簡潔。

因此，PWM芯片的設計中選用SG3525。

1. 2. 3 　過流保護自動控製

（1） 純硬件實現自動保護控製。在負載端采樣電壓，通過一個(ge) 比較器輸出一個(ge) 電平控製可控矽的導通，由可控矽的狀態來控製SG3525 的shutdown 端，從(cong) 而控製輸出狀態。當負載正常時可控矽關(guan) 斷，shutdown 端為(wei) 低電平，芯片正常工作；當負載過流時，通過取樣電阻給比較器輸出一個(ge) 高電平，高電平通過一個(ge) 電容送到一個(ge) 與(yu) 可控矽並聯的三極管基極，使三極管導通，從(cong) 而關(guan) 斷可控矽。該方案邏輯關(guan) 係很強，參數選擇嚴(yan) 格，不容易實現，不適用於(yu) 該係統。

（2） 軟件實現自動保護控製。在負載端采樣電壓，通過單片機來查詢負載電平的高低控製SG3525 芯片的shutdown 端口來控製輸出，從(cong) 而達到保護的目的。該方法簡單，且為(wei) 後續智能化過載保護的實現提供基礎。通過對該電源電路進行方案論證，該係統的原理圖如圖4 所示。

1. 3 　提高效率方法及解決(jue) 方案

由於(yu) 損耗主要來源於(yu) 器件本身以及一些開關(guan) 元件的寄生電阻和進行開關(guan) 操作時的開關(guan) 損耗，因此在設計電路時要盡量減少損耗元件的個(ge) 數，選用耗能小的元件，采用比較理想的開關(guan) 元件；並且變壓器的選取和繞製也對效率有影響。

1. 3. 1 　功放電路解決(jue) 方案

為(wei) 了降低損耗隻能選用2 個(ge) 晶體(ti) 管，並且要求它本身的導通壓降很低，降低了損耗，並且開關(guan) 速度很快，讓開關(guan) 在瞬間完成，才能夠最大限度地降低開關(guan) 損耗和開關(guan) 噪聲。

1. 3. 2 　變壓器解決(jue) 方案

選用EI 變壓器，設置匝數比為(wei) 10∶32 ，線徑0. 7 mm，初級雙線並繞，次級單線繞製，這樣能最大限度地提高效率。

2 　硬件設計

2. 1 　開關(guan) 管的選取

由於(yu) 是PWM芯片直接驅動，因此驅動電流不大，考慮到效率問題，選用IRF540。它是電壓控製器件，要求驅動電流很低，並且開關(guan) 速度很快，導通電阻很小，這樣既減少了開關(guan) 損耗，也降低了本身寄生電阻的損耗。

2. 2 　輸入整流二極管的選取

由於(yu) 集成整流橋用於(yu) 整流濾波，易引起整流管過熱，其輸出電壓過低，導致負載電壓不穩。因此采用共陰極肖特基二極管取代。

2. 3 　輸出整流二極管的選取

考慮到效率要求，選用了肖特基二極管，速度快且壓降低。

2. 4 　變壓器的繞製方法

選用EI 變壓器，工作頻率為(wei) 30kHz ，計算匝伏比： N/ V = Ton/ （ΔB ×Ae） ，原邊繞組匝數： Np= Vinmin ×（ N/ V） ，副邊繞組匝數： N2 = （ Vo + Vd + Io ×R）×（ N/ V） ，設置的匝數比為(wei) 10∶32 ，線徑0. 7 mm，初級雙線並繞，次級單線繞製。該設計方法能最大限度地提高效率。

2. 5 　整流管的輸出穩壓

由於(yu) 18 V 經整流濾波後達到25V ，因此選用了耐壓值為(wei) 1 000μF/ 50 V 的大電容來穩壓。

2. 6 　LC濾波參數設計

根據電感最大貯能值0. 5 ×L ×I ×I 確定電感峰值電流Imax = Io + 2 ×VoToff / L （Toff 為(wei) 關(guan) 斷時間） ，匝數N 應進行取整，當匝數少電流大時，應盡量避免取半匝的情況。經計算後選取電感量為(wei) 10 mH，電容為(wei) 4 700μF。

2. 7 　保護電路設計

采用LM358 和LM193 作為(wei) 過流采樣比較器。若負載過流，比較器輸出高電平給單片機，單片機查詢端口作出判斷給SG3525 的shut 口一個(ge) 高電平，同時把1 個(ge) 三極管打通給負載一個(ge) 5 V 電壓再次檢測負載狀態；若過流拆除通過LM393 比較器給單片機一個(ge) 高電平，那麽(me) 單片機給shut 端低電平來開啟SG3525。若未拆除，過載單片機循環查詢等待拆除。

3 　運行情況與(yu) 分析

在該設計中，采用的試驗手段及儀(yi) 器如下。

（1） 輸出電壓調整範圍的測試。通過51 控製改變DC2DC變換器的電源電壓值，從(cong) 而達到調整輸出電壓的目的。用萬(wan) 用表測試電壓值。

（2） 最大輸出電流的測試。通過調整負載電阻的值來調整輸出電流，當負載短路時輸出電流最大。

（3） 電壓調整率Su 的測試。在給定的輸入電壓從(cong) 15～21 V 變化時，用5 位半的數字表分別測出負載電壓的最大變化量，然後除以負載電壓就可以計算出Su。用同樣的方法可以測出Si 。

（4） 輸出電壓紋波Vpp。用交流調壓器設定U2 為(wei) 18 V ，負載電壓為(wei) 36 V ，電流為(wei) 2 A 時，用模擬示波器測量紋波電壓峰峰值。

（5）DC2DC 的變換效率。分別用5 位半的數字表測得負載電壓和電流與(yu) DC2DC 變換器的輸入電壓和電流，然後計算出輸入和輸出功率，便可計算出效率。

該係統在實驗室中進行了測試，其測試數據表如表1～4所示。

通過測試，該穩壓電源具有過流、過壓保護功能。可見，該電源的穩壓性能指標較高，控製輸出具有可調性。

4 　結語

本文設計的穩壓電源采用性能穩定常用的PWM 芯片SG3525 來進行反饋調整穩壓，並通過51 單片機來設定輸出電壓，功放電路采用MOS 管搭建的雙端推挽方式，提高了電源效率。係統測試和運行結果表明，該穩壓電源使控製更加智能化，能夠長期高效，穩定的工作，更夠滿足農(nong) 業(ye) 機械以及照明設備電路的持續工作需要，同時避免了大量的硬件電路設計，降低了製造成本，在農(nong) 業(ye) 生產(chan) 機械和照明設備上具有比較廣闊的應用和發展前景。