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 guandaotongshixiangfuzaigongdian，bianyaqibingmeiyoushixianchongfenliyong，xiaolvbugao，erqieshuchudianyawenboda。gaifanganshixianjiandan
，muqianweidabufennongyejixiehedianqishebeicaiyong，dannanyibaozhengwendingchixudegongzuo，yingyongxiaoguobingbulixiang。

（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。

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（ 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
；dangfuzaiguoliushi，tongguoquyangdianzugeibijiaoqishuchuyigegaodianping，gaodianpingtongguoyigedianrongsongdaoyigeyukekongguibingliandesanjiguanjiji，shisanjiguandaotong
，congerguanduankekonggui。gaifanganluojiguanxihenqiang
，canshuxuanzeyange，burongyishixian，bushiyongyugaixitong。

（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(duan)口(kou)來(lai)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)
，從(cong)而(er)達(da)到(dao)保(bao)護(hu)的(de)目(mu)的(de)。該(gai)方(fang)法(fa)簡(jian)單(dan)，且(qie)為(wei)後(hou)續(xu)智(zhi)能(neng)化(hua)過(guo)載(zai)保(bao)護(hu)的(de)實(shi)現(xian)提(ti)供(gong)基(ji)礎(chu)。通(tong)過(guo)對(dui)該(gai)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)方(fang)案(an)論(lun)證(zheng)，該(gai)係(xi)統(tong)的(de)原(yuan)理(li)圖(tu)如(ru)圖(tu)4 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。
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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。tashidianyakongzhiqijian，yaoqiuqudongdianliuhendi，bingqiekaiguansuduhenkuai
，daotongdianzuhenxiao，zheyangjijianshaolekaiguansunhao
，yejiangdilebenshenjishengdianzudesunhao。

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。

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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)。