一种带过载保护的开关稳压电源设计方案与实现

(2) 全桥整流式电路。图2 所示为全桥整流式电路。该方案采用了4 个MOS 管，工作时对管同时导通，半周期内Q1、Q3 导通，Q2、Q4 截止，然后Q2、Q4 导通，Q1、Q3 截止。这样的工作方式使每半周期都有2 个MOS 管来分压，对MOS管的耐压要求就降低了，适用于高压场合，但由于使用了4个MOS 管，使得损耗功率增加，开关损耗同时增加。考虑到农业机械一般功率较大，采用该方案必然降低电能利用率，导致大量的能耗损失。

图2

( 3) 双管推挽放大电路。图3所示为双管推挽放大电路。该方案采用了2 个MOS 管轮流导通，比采用4 个MOS管损耗低，而且输出电压比单端方式的要稳，为达到设计所需要的效率，本文选用了该方案。

图3

2. 3、过流保护自动控制

(1) 纯硬件实现自动保护控制。在负载端采样电压，通过一个比较器输出一个电平控制可控硅的导通，由可控硅的状态来控制SG3525 的shutdown 端，从而控制输出状态。当负载正常时可控硅关断，shutdown 端为低电平，芯片正常工作；当负载过流时，通过取样电阻给比较器输出一个高电平，高电平通过一个电容送到一个与可控硅并联的三极管基极，使三极管导通，从而关断可控硅。该方案逻辑关系很强，参数选择严格，不容易实现，不适用于该系统。

(2) 软件实现自动保护控制。在负载端采样电压，通过单片机来查询负载电平的高低控制SG3525 芯片的shutdown 端口来控制输出，从而达到保护的目的。该方法简单，且为后续智能化过载保护的实现提供基础。通过对该电源电路进行方案论证，该系统的原理图如图4 所示。

提高效率方法及解决方案

由于损耗主要来源于器件本身以及一些开关元件的寄生电阻和进行开关操作时的开关损耗，因此在设计电路时要尽量减少损耗元件的个数，选用耗能小的元件，采用比较理想的开关元件;并且变压器的选取和绕制也对效率有影响。

1、功放电路解决方案

为了降低损耗只能选用2 个晶体管，并且要求它本身的导通压降很低，降低了损耗，并且开关速度很快，让开关在瞬间完成，才能够最大限度地降低开关损耗和开关噪声。

2、变压器解决方案

选用EI 变压器，设置匝数比为10∶32 ，线径0. 7 mm，初级双线并绕，次级单线绕制，这样能最大限度地提高效率。

3、硬件设计

3. 1、开关管的选取

由于是PWM芯片直接驱动，因此驱动电流不大，考虑到效率问题，选用IRF540。它是电压控制器件，要求驱动电流很低，并且开关速度很快，导通电阻很小，这样既减少了开关损耗，也降低了本身寄生电阻的损耗。

3. 2、输入整流二极管的选取

由于集成整流桥用于整流滤波，易引起整流管过热，其输出电压过低，导致负载电压不稳。因此采用共阴极肖特基二极管取代。

3. 3、输出整流二极管的选取

考虑到效率要求，选用了肖特基二极管，速度快且压降低。

3. 4、变压器的绕制方法

选用EI 变压器，工作频率为30kHz ,计算匝伏比： N/ V = Ton/ (ΔB ×Ae) ,原边绕组匝数： Np= Vinmin ×( N/ V) ,副边绕组匝数： N2 = ( Vo + Vd + Io ×R)×( N/ V) ，设置的匝数比为10∶32，线径0. 7 mm，初级双线并绕，次级单线绕制。该设计方法能最大限度地提高效率。

3. 5、整流管的输出稳压

由于18 V 经整流滤波后达到25V ,因此选用了耐压值为1 000μF/ 50 V 的大电容来稳压。

3. 6、LC滤波参数设计

根据电感最大贮能值0. 5 ×L ×I ×I 确定电感峰值电流Imax = Io + 2 ×VoToff / L (Toff 为关断时间)，匝数N 应进行取整，当匝数少电流大时，应尽量避免取半匝的情况。经计算后选取电感量为10 mH，电容为4 700μF。

3. 7、保护电路设计

采用LM358 和LM193 作为过流采样比较器。若负载过流，比较器输出高电平给单片机，单片机查询端口作出判断给SG3525 的shut 口一个高电平，同时把1 个三极管打通给负载一个5 V 电压再次检测负载状态；若过流拆除通过LM393 比较器给单片机一个高电平，那么单片机给shut 端低电平来开启SG3525。若未拆除，过载单片机循环查询等待拆除。

运行情况与分析

在该设计中，采用的试验手段及仪器如下：

(1) 输出电压调整范围的测试。通过51 控制改变DC2DC变换器的电源电压值，从而达到调整输出电压的目的。用万用表测试电压值。

(2) 最大输出电流的测试。通过调整负载电阻的值来调整输出电流，当负载短路时输出电流最大。

(3) 电压调整率Su 的测试。在给定的输入电压从15～21 V 变化时，用5 位半的数字表分别测出负载电压的最大变化量，然后除以负载电压就可以计算出Su。用同样的方法可以测出Si 。

(4) 输出电压纹波Vpp。用交流调压器设定U2 为18 V ，负载电压为36 V ，电流为2 A 时，用模拟示波器测量纹波电压峰峰值。

(5)DC2DC 的变换效率。分别用5 位半的数字表测得负载电压和电流与DC2DC 变换器的输入电压和电流，然后计算出输入和输出功率，便可计算出效率。

该系统在实验室中进行了测试，其测试数据表如图所示。