一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现

1 引言

近年来，数字化在电源领域得到广泛应用，许多电子设备要求电源具有多档级。因此，这里提出了一种利用数字控制、电压可调的开关电源设计方案，实现电压步进调整，并具有宽电压输入、稳压输出功能。

2 设计方案

方案系统设计框图如图1所示，输入为220 V，50 Hz交流电压，经电压变换，整流滤波后得到18 V的直流电压，送入Boost电路，经滤波输出直流。CPLD与单片机组成的数字控制模块输出脉宽调制信号(PWM)，由按键控制改变PWM占空比，从而控制Boost电路的输出电压。该输出电压可在30~36 V范围内步进调节，实现多路电压输出。最大输出电流高达2 A。

输出电压经MAXl97 A/D采样，送至控制模块，通过PID算法计算调整下一次传送的控制信号，形成反馈回路，实现宽电压输入，稳压输出的功能。

3 硬件电路设计

3．1 硬件电路图

系统硬件电路如图2所示。交流电压经变压器转换，其幅值按一定比例降低。降低的交流电压经扁桥式整流电路整流为18 V直流，经2 200μF电容滤波后进入主转换电路与Boost电路。

在Boost转换电路中，增加MOSFET和二极管缓冲吸收电路，减小过压或过流引起的损耗。由于电源功率较小，则采用RC吸收电路。当过流、过压产生时，电流通过电阻以热能的形式将能量散发出去，降低对MOSFET的影响，减小其损耗，延长使用寿命。根据多次试验，保护吸收电路的电阻应取kΩ级，电容取nF级。直流信号再经低通滤波器滤除纹波，驱动负载。

3．2 主要功能电路原理

硬件电路部分的主要电路是Boost电路，它由功率开关管VT、储能电感L、续流二极管VD和滤波电容C组成。开关管按一定频率工作，转换周期为T，导通时间为Ton，截止时间为Toff，占空比D=Ton/T。其工作原理为：当VT导通时，电感L储能，VD反偏截止，负载由电容C提供电能；VT截止时，L两端电压极性相反，VD正偏，同时为负载和滤波电容C提供能量。

由储能电感L导通和截止期间，电流变化量相等可得，输出电压U0和输入电压U1之间关系为：

U0/Ui=1/(1一D) (1)

3．3 器件选取

根据理论计算，功率开关采用晶体管即可满足要求，故系统采用IRF540型MOS管，其VDS=100 V，IDS=17 A。采用MOS管专用驱动器件IR2110完成驱动功能。IR2110是一款高低电平驱动器件，其逻辑输入电压只需3．3 V，输出电压最大可达20 V，驱动电流最大可达到2 A。其延迟时间为10ns，上升沿和下降沿时间分别为120 ns和94 11s。由于IR2110可同时驱动双MOS管，因而系统只涉及一个MOS管，故只使用一路驱动即可。

由于普通二极管的反向恢复时间过长，而肖特基整流管无电荷储存问题，可改善开关特性。其反向恢复时间缩短到10 11s以内。但其反向耐压值较低，一般不超过100 V。因此肖特基二极管适用于低压、大电流状态下工作，并可利用其低压降提高低压、大电流整流(或续流)电路的效率。

3．4 重要参数的计算

滤波电容的选取，可根据

当开关管工作频率取F=40 kHz时，设纹波电压约为30～50 mV，则计算得到C数量级为1 000μF。实际调试后取电容为2 200μF。

储能电感的选取，可根据：

设计过程中，设置纹波电流△iL=O．4 A，计算得到L数量级为l mH，实际调试后取电感为0．79 mH。

作者：邢玉秀 唐宏昊 程达   来源：国外电子元器件