中心議題：

• 帶過載保護的開關穩壓電源設計

解決方案：

• 帶過載保護的開關穩壓電源設計方案論證
• 帶過載保護的開關穩壓電源硬件設計
• 帶過載保護的開關穩壓電源係統運行情況與分析

近年來，隨著我國農產品需求量的增加
，農業自動化水平的提高，以及大量農業機械
、電dian氣qi照zhao明ming和he溫wen控kong設she備bei的de增zeng加jia，農nong業ye電dian耗hao逐zhu年nian增zeng加jia，生sheng產chan成cheng本ben不bu斷duan提ti高gao。隨sui著zhe電dian子zi技ji術shu的de迅xun猛meng發fa展zhan，開kai關guan穩wen壓ya電dian源yuan已yi作zuo為wei一yi種zhong較jiao理li想xiang的de電dian源yuan為wei人ren們men所suo使shi用yong，其qi運yun用yong功gong率lv變bian換huan器qi進jin行xing電dian能neng變bian換huan
，能neng夠gou在zai滿man足zu各ge種zhong農nong業ye用yong電dian的de前qian提ti下xia，降jiang低di電dian耗hao
，其qi高gao效xiao節jie能neng可ke帶dai來lai巨ju大da的de農nong業ye經jing濟ji效xiao益yi。然ran而er當dang前qian的de農nong業ye用yong開kai關guan穩wen壓ya電dian源yuan，雖sui然ran體ti積ji小xiao，效xiao率lv高gao，但dan輸shu出chu電dian壓ya的de紋wen波bo較jiao大da ,難nan以yi保bao證zheng輸shu出chu電dian壓ya高gao穩wen定ding性xing，常chang常chang影ying響xiang農nong用yong機ji械xie和he電dian氣qi設she備bei的de連lian續xu生sheng產chan
，反fan而er增zeng加jia了le耗hao能neng。為wei此ci，本ben文wen提ti出chu一yi種zhong新xin的de帶dai過guo載zai保bao護hu的de開kai關guan穩wen壓ya電dian源yuan設she計ji方fang案an
，能neng為wei農nong用yong大da型xing機ji械xie和he農nong業ye照zhao明ming設she備bei電dian路lu提ti供gong穩wen定ding的de電dian源yuan，具ju有you比bi較jiao廣guang闊kuo的de應ying用yong和he發fa展zhan前qian景jing。

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guan導dao通tong時shi向xiang負fu載zai供gong電dian，變bian壓ya器qi並bing沒mei有you實shi現xian充chong分fen利li用yong，效xiao率lv不bu高gao，而er且qie輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo大da。該gai方fang案an實shi現xian簡jian單dan，目mu前qian為wei大da部bu分fen農nong業ye機ji械xie和he電dian器qi設she備bei采cai用yong，但dan難nan以yi保bao證zheng穩wen定ding持chi續xu的de工gong作zuo，應ying用yong效xiao果guo並bing不bu理li想xiang。

（2） 全橋整流式電路。圖2 所示為全橋整流式電路。該方案采用了4 個MOS 管
，工作時對管同時導通
，半周期內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MOS 管來分壓
，對MOS管的耐壓要求就降低了，適用於高壓場合，但由於使用了4個MOS 管
，使得損耗功率增加，開關損耗同時增加。考慮到農業機械一般功率較大
，采用該方案必然降低電能利用率
，導致大量的能耗損失。

[page]
（ 3） 雙管推挽放大電路。圖3所示為雙管推挽放大電路。該方案采用了2 個MOS 管輪流導通，比采用4 個MOS管損耗低，而且輸出電壓比單端方式的要穩
，為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he心xin的de按an鍵jian掃sao描miao顯xian示shi模mo塊kuai進jin行xing鍵jian控kong和he顯xian示shi。該gai方fang案an編bian程cheng比bi較jiao容rong易yi，控kong製zhi很hen方fang便bian，顯xian示shi也ye很hen容rong易yi實shi現xian。經jing綜zong合he比bi較jiao考kao慮lv
，筆bi者zhe選xuan擇ze采cai用yong嵌qian入ru式shi解jie決jue方fang案an。

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
，通過一個比較器輸出一個電平控製可控矽的導通

，由可控矽的狀態來控製SG3525 的shutdown 端
，從而控製輸出狀態。當負載正常時可控矽關斷，shutdown 端為低電平，芯片正常工作；當(dang)負(fu)載(zai)過(guo)流(liu)時(shi)，通(tong)過(guo)取(qu)樣(yang)電(dian)阻(zu)給(gei)比(bi)較(jiao)器(qi)輸(shu)出(chu)一(yi)個(ge)高(gao)電(dian)平(ping)
，高(gao)電(dian)平(ping)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)送(song)到(dao)一(yi)個(ge)與(yu)可(ke)控(kong)矽(gui)並(bing)聯(lian)的(de)三(san)極(ji)管(guan)基(ji)極(ji)
，使(shi)三(san)極(ji)管(guan)導(dao)通(tong)，從(cong)而(er)關(guan)斷(duan)可(ke)控(kong)矽(gui)。該(gai)方(fang)案(an)邏(luo)輯(ji)關(guan)係(xi)很(hen)強(qiang)，參(can)數(shu)選(xuan)擇(ze)嚴(yan)格(ge)，不(bu)容(rong)易(yi)實(shi)現(xian)，不(bu)適(shi)用(yong)於(yu)該(gai)係(xi)統(tong)。

（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 duankoulaikongzhishuchu，congerdadaobaohudemude。gaifangfajiandan
，qieweihouxuzhinenghuaguozaibaohudeshixiantigongjichu。tongguoduigaidianyuandianlujinxingfanganlunzheng，gaixitongdeyuanliturutu4 所示。

1. 3 　提高效率方法及解決方案
由you於yu損sun耗hao主zhu要yao來lai源yuan於yu器qi件jian本ben身shen以yi及ji一yi些xie開kai關guan元yuan件jian的de寄ji生sheng電dian阻zu和he進jin行xing開kai關guan操cao作zuo時shi的de開kai關guan損sun耗hao，因yin此ci在zai設she計ji電dian路lu時shi要yao盡jin量liang減jian少shao損sun耗hao元yuan件jian的de個ge數shu，選xuan用yong耗hao能neng小xiao的de元yuan件jian，采cai用yong比bi較jiao理li想xiang的de開kai關guan元yuan件jian；並且變壓器的選取和繞製也對效率有影響。

1. 3. 1 　功放電路解決方案
為了降低損耗隻能選用2 個ge晶jing體ti管guan，並bing且qie要yao求qiu它ta本ben身shen的de導dao通tong壓ya降jiang很hen低di，降jiang低di了le損sun耗hao，並bing且qie開kai關guan速su度du很hen快kuai，讓rang開kai關guan在zai瞬shun間jian完wan成cheng
，才cai能neng夠gou最zui大da限xian度du地di降jiang低di開kai關guan損sun耗hao和he開kai關guan噪zao聲sheng。

1. 3. 2 　變壓器解決方案
選用EI 變壓器

，設置匝數比為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。
[page]
2 　硬件設計

2. 1 　開關管的選取
由於是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(ta)是(shi)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)器(qi)件(jian)
，要(yao)求(qiu)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)很(hen)低(di)，並(bing)且(qie)開(kai)關(guan)速(su)度(du)很(hen)快(kuai)，導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)很(hen)小(xiao)

，這(zhe)樣(yang)既(ji)減(jian)少(shao)了(le)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)
，也(ye)降(jiang)低(di)了(le)本(ben)身(shen)寄(ji)生(sheng)電(dian)阻(zu)的(de)損(sun)耗(hao)。

2. 2 　輸入整流二極管的選取
由於集成整流橋用於整流濾波，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18 V 經整流濾波後達到25V ,因此選用了耐壓值為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 為關斷時間） ,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10 mH,電容為4 700μF。

2. 7 　保護電路設計
采用LM358 和LM193 作為過流采樣比較器。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 口一個高電平，同時把1 個三極管打通給負載一個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高電平，那麼單片機給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 　運行情況與分析

在該設計中
，采用的試驗手段及儀器如下。
（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，從而達到調整輸出電壓的目的。用萬用表測試電壓值。
（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18 V ,負載電壓為36 V ,電流為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。

[page]

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。

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guan搭da建jian的de雙shuang端duan推tui挽wan方fang式shi，提ti高gao了le電dian源yuan效xiao率lv。係xi統tong測ce試shi和he運yun行xing結jie果guo表biao明ming

，該gai穩wen壓ya電dian源yuan使shi控kong製zhi更geng加jia智zhi能neng化hua
，能neng夠gou長chang期qi高gao效xiao

，穩wen定ding的de工gong作zuo，更geng夠gou滿man足zu農nong業ye機ji械xie以yi及ji照zhao明ming設she備bei電dian路lu的de持chi續xu工gong作zuo需xu要yao
，同tong時shi避bi免mian了le大da量liang的de硬ying件jian電dian路lu設she計ji，降jiang低di了le製zhi造zao成cheng本ben，在zai農nong業ye生sheng產chan機ji械xie和he照zhao明ming設she備bei上shang具ju有you比bi較jiao廣guang闊kuo的de應ying用yong和he發fa展zhan前qian景jing。