宽范围输出开关电源的研究与设计

于江豪，文进才，李文钧

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

宽范围输出开关电源的研究与设计

于江豪，文进才，李文钧

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

针对输出电压为5 V～100 V的开关电源，提出了一种以STM32F103微处理器和SG3524为控制核心的设计方案.电源设计主电路采用DC/DC推挽型功率变换器，STM32F103通过内部DAC输出电压与采样反馈的输出电压误差比较后作为SG3524的基准电压，SG3524根据基准电压的变化自动产生PWM波，经IR2110功率放大后驱动MOSFET，调节MOSFET的输出脉宽，实现了输出电压的连续可调.测试结果表明，输出电压可调范围为5 V～100 V，最大输出功率为200 W，达到了良好的效果，验证了方案的可行性.

开关电源；微处理器；宽范围输出

0 引 言

随着电力电子技术的蓬勃发展，一般的开关电源由于输出电压单一表现出诸多不完善的地方，无法满足目前各种设备对多种电压需求，宽范围输出可调式开关电源凸现出其优越性.

从20世纪末以来，国内外很多科研机构开始加大对可调开关电源的研究，并取得了显著成效.文献[1]研究了相移全桥式开关电源，设计的开关电源电压在42 V～54 V连续可调，最大输出电流为15 A，满载效率为94.4%，虽然效率高，但是存在输出电压范围窄的缺点；文献[2]研究了单相功率因数校正的开关电源，设计的开关电源电压在30 V～100 V连续可调，最大输出功率为100 W，效率为93.9%，同样存在输出电压范围较窄的问题，而且功率较小.在射频消融仪等产品的研发设计中，需要把24 V直流电源转变为5 V～100 V连续可调直流电源，而普通的可调直流电源输出电压范围较窄且功率较小[3-4].本文针对这一情况进行了研究和分析，提出了相应的解决方案，适用于射频消融仪系统，具有良好的应用前景.

图1 系统整体框图

1 设计总体方案

系统以STM32F103处理器为控制核心，主要由STM32处理器、PWM产生模块、栅极驱动模块、功率变换模块、整流滤波模块、采样反馈模块、LCD显示、旋转编码开关和辅助电源构成，系统整体框图如图1所示.24 V电源一路进入辅助电源电路，辅助电源为整个控制电路IC、人机交互部分及采样反馈模块提供稳定的直流电源；另一路输入到功率变换电路，然后经过整流滤波后输出稳定直流电压，经过采样反馈模块，将调理后的电压信号送入到STM32F103内部ADC，STM32F103通过对输入信号的采样分析、软件处理后得出当前输出电压值，STM32F103比较预设电压和实际电压值，根据电压差通过内部DAC输出不同的电压值控制PWM产生电路产生的PWM信号占空比，然后将PWM信号送给栅极驱动模块处理后输出PWM波，PWM波被功率变换模块放大后，再通过整流滤波模块滤除高次谐波和噪声，从而获得稳定的预设电压.

2 电源技术指标

输入直流电压为20 V～28 V，输出电压为5 V～100 V，步进值为0.5 V，最大输出功率为200 W，电源纹波系数小于0.8%，输出电压精度小于2%，整机平均效率不低于85.0%.

3 电路设计

本文主要提出了一种宽范围输出开关电源的设计方案，并给出了部分关键电路的分析计算过程，且对样机进行了调试和实验.由于篇幅所限，本文主要对PWM产生电路、推挽式开关变换电路、变压器等设计进行说明，其余电路不再赘述.

3.1 PWM产生电路

PWM控制信号用PWM专用集成芯片SG3524生成.该芯片是美国硅通用公司制造的双通道PWM控制器，是一种比较好的PWM波控制芯片，广泛用于开关电源设计中.SG3524芯片主要包含基准电源、误差放大器、可外设频率的振荡器、限流比较器、二分频触发器、互补输出晶体管、限流比较器、输出封锁等电路[5-6].其内置的振荡器用于产生锯齿波，而且频率是可自己设定的，振荡频率f由下式决定：

(1)

图2 PWM控制电路

其中，Rt为振荡器定时电阻，Ct为振荡器定时电容.PWM控制电路如图2所示.Rt接在引脚6，Ct接在引脚7.本设计把振荡频率设为78 kHz，取Rt=15 kΩ，Ct=1 nF.引脚11和引脚14输出的PWM信号频率为39 kHz.电源输出直流电压经过采样电阻分压及电压跟随器隔离后作为电压反馈信号uf，将STM32F103的DAC输出电压uDA与uf经误差放大器比较放大后输入到SG3524频率补偿端(引脚9)，通过调节DAC输出电压就可调节输出PWM信号的占空比，从而达到调节输出电压的目的.将过流检测电阻Rs采集的电压信号输入到SG3524的电流限制检测正输入端(引脚4)，一旦检测到Rs的电压超过200 mV，SG3524关断输出，实现了过流保护功能.此外，STM32F103会对过压、过热等故障进行实时检测，一旦发现异常，STM32F103的IO将输出保护信号up输入到SG3524的外部控制端(引脚10)，一旦up为高电平，将关断引脚11和引脚14的PWM信号，功率电路的MOSFET关断，从而实现了对电路的保护功能.

3.2 推挽式功率变换电路

推挽式功率变换电路简化图如图3所示.图3中，Ui是直流输入电压，Uo是直流输出电压，Q1和Q2是MOSFET开关管，T是带有中心抽头的变压器.PWM1和PWM2是相位相差180°的矩形脉冲，用来控制Q1和Q2交替导通.当开关管Q1导通时，Ui通过Q1被加到变压器初级线圈N11的两端，通过互感在变压器次级线圈N21绕组的两端感应出一个与N11绕组输入电压成正比的电压，当Q1由导通转变为截止时，Q2由截止转变为导通，此时，Ui通过Q2被加到变压器N12的两端，通过互感在变压器次级线圈N22绕组的两端感应出一个与N12绕组输入电压成正比的电压[7].每个开关管都是半周期的导通和截止，将直流输入电压Ui转变成高频交流电压.经过二极管D1，D2的全波整流，再经过L和C的滤波后即可得到稳定的输出电压Uo.

图3 推挽式功率变换电路

3.3 高频变压器的设计

3.3.1 变压器设计方法选择

本设计中变压器的工作频率为39 kHz，功率为200 W，效率为85.0%，变压器为高频工作状态.面积乘积(Area Product，AP)法是选择高频变压器磁芯的有效方法，故本设计中利用此法进行设计[8].

利用AP法选择磁芯的计算公式为：

(2)

其中，Ae为磁芯的有效截面积；Aw为磁芯窗口面积；kc为绕组的窗口填充系数，一般取0.4；J为漆包线的电流密度，通常取2～5 A/mm2；Bw为磁芯正常工作时的磁通密度；PT为变压器传递的视在功率；ku为波形系数，方波的波形系数通常取4；f为工作频率.

3.3.2 变压器匝数的确定

式(2)中视在功率PT为：

(3)

输出功率Po=UoIo=100×2=200 W，将Po=200 W，η=0.88代入式(3)得PT=521 W，取导线密度J=4 A/mm2，工作时磁通密度应该小于饱和磁通密度的1/3.因此，确定工作磁通密度为0.3 T，f=39 kHz，根据式(2)计算的Ap为6 471 mm4，再加20%的余量，取Ap=7 765 mm4，经查阅最终选择外径D外为33.02 mm，内径D内为19.94 mm，高度H为10.67 mm的铁硅铝磁环，由于采用了3个磁环并绕，则有效截面积为：

(4)

(5)

Ap=65 208 mm4>7 765 mm4

(6)

所选用磁芯的Ap值大于通过AP法计算的Ap值，符合磁芯选择要求.

为了确保一个周期内磁芯能够正常复位，PWM波占空比设为45%，则变压器的初级绕组匝数N1为：

(7)

其中，变压器初级输入电压Ui为24 V；T为PWM波的周期，等于频率f的倒数；ΔB为磁通密度变化量，等于二倍的Bw.

为了保险起见，初级线圈取3匝.次级线圈匝数N2为

(8)

其中，输出电压Uo为100 V，因此变压器的初次级匝数分别为3匝和13匝.

由于开关放大电路采用的是推挽型拓扑结构，所以采用双线并绕方式，又考虑到工作频率较高，为了有效降低信号干扰的程度，把两根漆包线按一定的密度相互绞在一起，使得每一根线在传输中辐射出来的电磁波被另一根线上发出的电磁波抵消[9].

图4 开关电源程序流程图

4 系统软件设计

系统软件主要根据设定电压完成对输出电压的调整和显示、过压和过流的保护等功能.程序流程图如图4所示.STM32F103上电或复位后，系统先进行初始化，同时检测电路是否正常，如果正常然后打开电源，根据设定电压值和AD采集电压值自动调节输出电压，从而达到输出电压连续可调的目的.

5 系统性能测试

本设计根据理论计算和实验仿真，制作的实物图如图5所示.

通过旋转编码开关调节预设电压，测量输出电压，观察LCD显示的电压，并通过示波器测试纹波电压.经过多次调节设定电压，测量输出电压后发现，输出电压范围可达到5 V～100 V连续可调，步进值为0.5 V.由于篇幅所限，对实验部分数据进行处理得到的结果如表1所示.通过表1可以看出，电源的连续性较好，实现了从5 V到100 V的调节，且电源纹波系数均小于0.8%，在5 V～10 V时电压精度为±2%，在10 V～100 V时电压精度为±1%.LCD显示电压与实际测试电压误差小于1%.表明达到了输出5 V～100 V连续可调，精度高的性能，优于市面上常见开关电源1%的纹波系数.

图5 设计实物图

表1 实测电压与预设电压比较

在输出端加上满载的功率电阻后，经过多次测量输入电压、输入电流、输出电压、输出电流，通过计算得到输入、输出功率并计算出各次的效率，其结果如表2所示.从表2可以看出，在宽范围输出电压的情况下，设计的开关电源仍然有较高的效率，优于市面上常见的开关电源(85%～90%)，最大输出功率达到200 W.

表2 不同输出电压下电源的效率

此外，本设计电源还具有过压、过流保护功能.将大功率滑线变阻器(300 W/1 kΩ)作为负载，测量输出电压、电流值，通过旋转编码开关将输出电压调到最大，改变负载值，发现一旦电流达到2.5 A或者电压超过110 V时，蜂鸣器立即报警，LCD显示警告，系统立即关断输出，实现了过压和过流保护.当排除过压或过流故障后，打开电源仍可继续工作.

6 结束语

本文设计了一种针对宽范围输出开关电源的方案，为了检验方案的可行性和实用性，根据方案制作了实物.通过对实物的各种测试，达到了预期的指标.同时也发现了一些问题，如在输出电压较低(5～10V)时精度还需要进一步提高.这是由于在输出低压情况时，开关管每个周期导通时间较短，输出电感处于非连续工作模式.本设计采用STM32F103组成的控制电路可以有效地对系统进行监控和保护，实时性好，且采用集成芯片简化了电路设计，从而提高了电源的稳定性和输出分辨率.

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Research and Design of Switching Power Supply with Wide Range of Output

YU Jianghao, WEN Jincai, LI Wenjun

(KeyLaboratoryofRFCircuitandSystem,MinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

A design scheme based on STM32F103 and SG3524 is proposed for the switching power supply with the output voltage of 5 V～100 V. The DC/DC push-pull power converter is used for the main circuit of the switching power supply, and STM32F103 uses the internal DAC to output voltages, and after comparing them with sampling feedback output voltage errors, analog voltages are taken as the reference voltage of the SG3524. Then SG3524 generates PWM automatically according to the variation of reference voltage. The PWM is used to drive the main circuit MOSFET and regulate the MOSFET output pulse width after be amplified by IR2110 power amplifier, to achieve continuously adjustable output voltages. The test results indicate that the output voltage of the switch power supply can be adjusted continuously from 5 V to 100 V, the maximum output power is 200 W, which achieves the good effect, and the feasibility of the scheme is verified.

switching power supply; CPU; wide range output

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.004

2016-09-18

于江豪(1990-)，男，河南荥阳人，硕士研究生，电路与系统.通信作者：文进才副教授，E-mail：jcwen@hdu.edu.cn.

TN86

A

1001-9146(2017)04-0015-05