1 方案论证与比较
1.1 DC-DC主回路拓扑的方案选择
DC-DC变换分为隔离式和非隔离式两种。输入和输出选择隔离式比较安全，而且在本设计中所要求的输出功率已经达到了200多瓦，不适合采用非隔离方式，所以我们采用了隔离的方式。具体有以下几种方案:
方案一:单端反激电路。
图1 单端反激式
采用单端反激电路如图1所示，由两个晶体管组成单端变换器形式的开关电源，当晶体管VT1导通的时候，初级电感线圈中将储存能量，然而当晶体管截止时初级电感线圈中储存的能量通过次级线圈释放给负载。在晶体管被输入的脉冲信号导通的时候，输入电压U0全部加在高频变压器T1的初级电感线圈上，由于晶体管VD的反接，所以次级线圈中无电流通过;当晶体管VT1被截止，T1的次级线圈上的电压反向，晶体管VD被导通，储存在初级线圈中的能量就可以通过次级线圈释放给负载。虽然单端反激电路能够达到输入和输出部分的隔离，并且还可以输出几路电压，不过单端反激式的实用输出功率应小于150W，而我们所需要输出的功率为200多瓦，所以在输出功率上不能达到要求;对于高频变压器而言磁芯的利用率不高，磁偏现象严重;在单端反激式方案中开关三级管承受的最大峰值电压是线路工作电压的2倍以上，超过了开关三级管的承受能力。因此我们并没有采用此方案。
方案二:推挽式电路。
图2 推挽式DC-DC转换
采用推挽式DC-DC转换器方案如图所示，它是由两个单端正激型DC-DC变换器叠加而成，因此它的输出电压是单个单端正激型DC-DC变换器输出电压的两倍，并且在晶体管导通期间，高频变压器一次测得的线圈的电压是输入电压的两倍。
而晶体管会因变压器磁芯饱和出现集电极电流尖峰而导致它损坏在推挽式DC-DC转换器中，两只功率晶体管存储时间往往不可能选得完全一样，尤其是在工作温度范围内，所以功率晶体管的开关特性和饱和压降不可能都一样，这样使得高频变压器的正负半周波形不一样，从而产生单向偏磁现象，形成直流磁通，经过若干个周期之后，磁芯饱和，从而使得晶体管的集电极电流出现更大的尖峰，使晶体管的特性进一步的不平衡，到最后可能会击穿晶体管。
方案三:全桥变换电路
图3 全桥变换电路
采用全桥变换的DC-DC变换器电路，如图3所示，在此方案中，功率晶体管承受的最高电压是输入电压的1/2，从而大大的降低了晶体管的消耗，较前面的单端反激和推挽式来说更为理想，不过全桥变换电路中必须采用四个功率晶体管，增大了电路的元件投入成本，并且在每次的切换中，位于对角线的功率晶体管必须同时开启和关闭，但是由于他们所处的电位不同，所以每只功率晶体管要外加隔离驱动电路，然而这样就增加了电路的复杂度，因此放弃此方案。
方案四:半桥变换电路
图4 半桥变换电路
采用半桥DC-DC转换器电路如图所示，此电路是由两只容量和耐压值都相同的电容C1、C2，以及两只特性相同的晶体管VT1、VT2组成电桥，输入电压U1加在电桥一对角线的两端点上，而高频变压器的初级线圈则是接在电桥的另外一对角线上的两端点上，次级线圈的绕发和推挽式及全桥变换电路一样。
采用这样的电路可以使高频变压器的利用率提高，因为在高频变压器工作时它的初级线圈输出的正负半周期都工作，故变压器的利用率大大地提高;由图4可知，当晶体管VT1导通、VT2截止时，若忽略不计VT1的管压降，则加于晶体管VT2集-射间的电压就等于电源的输入电压。同理，VT1截止，VT2导通时，晶体管VT1集-射间的电压也等于电源的输入电压。因此，隔离型半桥DC-DC变换器仅需要电压大于400V的晶体管就可以构成电网电压为220V的无工频变压器的DC-DC变换器。
根据上面的方案分析，我们采用方案四作为DC-DC主回路方案的选择。
1.2 控制方法的方案选择
方案一:采用单片机产生PWM波控制开关的导通和截止，根据A/D后的反馈电压来控制占空比的大小，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样之后经A/D输入单片机，当该电压值达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。并且使用此方案占用大量CPU资源，输出的PWM的电压太低，电流太小，不能使开关管很快的导通和截止。
方案二:采用恒频脉宽调制控制芯片SG3525，该芯片的工作频率为100-400KHZ，内有5.1V的基准电压，死区时间可以通过外接放电电阻进行调整，输出极的拉灌电流为200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快，能够达到我们的要求，因此我们采用方案二。
2 系统设计
2.1 整体设计
图5 总体设计框图
单片机通过控制键盘来控制电压的步进，通过SG3525产生PWM信号经过LC整流之后将输出电压值与预置电压进行比较，在SG3525内部的电压误差放大器来产生一个高低电平来调整输出电压的变化，反复的调整使输出电压达到预设的电压值。
220V的交流经过整流滤波得到300V的直流电压，再通过开关变压器的作用将300V的直流转化为交流电压，开关变压器则是由开关管控制，使再次转化的交流电整流滤波得到12V和36V的直流电压，36V的电压则是给单片机供电，而36V的直流电压一部分给DC-DC，另一部分则是输出给负载，然后通过光耦将负载的输出电压进行采集并且将其反馈给单片机和DC-DC系统，调节单片机和DC-DC就可以调节输出电压使其达到预设值。
2.2 单元电路设计
2.2.1 硬件核心电路
图6 DC-DC主回路电路
2.2.2 单片机最小系统
该系统为单片机Atmega128的最小系统，单片机产生一个电信号交给SG3525使产生PWM波，然后通过LC整流之后输出直流电压与预定的电压进行比较，将输出的电压通过光耦反馈给单片机进行处理。原理图如下:
图6 单片机最小系统
2.2.3 DC-DC主回路部分
图7 DC-DC主回路电路
采用半桥DC-DC转换器电路如图所示，此电路是由两只容量和耐压值都相同的电容C1、C2，以及两只特性相同的晶体管VT1、VT2组成电桥，输入电压U1加在电桥一对角线的两端点上，而高频变压器的初级线圈则是接在电桥的另外一对角线上的两端点上，次级线圈的绕发和推挽式及全桥变换电路一样。采用这样的电路可以使高频变压器的利用率提高，因为在高频变压器工作时它的初级线圈输出的正负半周期都工作，故变压器的利用率大大地提高;由图4可知，当晶体管VT1导通、VT2截止时，若忽略不计VT1的管压降，则加于晶体管VT2集-射间的电压就等于电源的输入电压。同理，VT1截止，VT2导通时，晶体管VT1集-射间的电压也等于电源的输入电压。因此，隔离型半桥DC-DC变换器仅需要电压大于400V的晶体管就可以构成电网电压为220V的无工频变压器的DC-DC变换器。
2.2.4 12864LCD显示
图8 12864液晶显示电路
由于在输出端采样时测得的反馈电压为输出电压的十八分之一，即分压为1.95V时输出电压为35V，分压为1.67V时输出电压为30V，设计中采用10位A/D转换精度为2.5mV(参考电压为2.56V)，直接输出给SG3525提供参考电压。为了降低功耗本设计采用12864LCD作为显示即显示采样得到的各个采样量。
2.3理论分析与参数计算
2.3.1 变压器的选择及参数设计
2.1.1 匝数的选择
根据给定的参数:输入电压为180V-250V的交流，输出电压为30V-35V的直流，效率为85%，输出的最大功率为200W，最大占空比0.4，工作频率为50khz，即可计算出变压器初级线圈和次级线圈的匝数。具体的计算如下: 最小输出电压 最大输入电压 对于半桥输入功率 则线圈的平均电流 。通过得到的数据可以确定出初级线圈的匝数，由法拉第电磁感应原理得 则 匝，从而确定出次级线圈N2,由 即可确定出次级线圈的匝数N2=7匝。
2.1.2 磁芯的选择
磁芯的确定即确定它的大小和种类，由变压器的功率来选择磁芯的大小，一般来说，磁芯选择的越大越好，而对于磁芯的种类的选择则是根据频率和最大磁饱和密度来决定，我们说采用的是高频变压器而它对应的磁饱和密度为0.16T，频率为50hz，所以根据查表分析，最终我们选择ETD44的铁氧体磁芯。
2.1.3 线径的选择
对于我们所使用的高频变压器来说线径的选择是比较重要的，通常我们在选择变压器的线径的时候都是根据经验，因此本设计中所采用的变压器线径为 而实际中铜丝的直径与集肤深度(d)有关，集肤深度(d)即:导体中电流密度减少到导体截面表层密度的1/e处的深度。而 其中f是题中所给的工作频率，铜丝的直径则需小于集肤深度，才能够使线径充分使用，当铜丝线径( )大于集肤深度时，则通过多股线圈的方式来增大集肤深度。
2.3.2 效率的分析
由于题目要求DC/DC转换器都只能由Uin端口供电，不能另加辅助电源，所以单片机及一些外围电路消耗功率要尽可能的低。为此，在本系统中单片机采用低功耗单片机Atmega128，该系统集成了10位8通道的ADC减少了A/D和D/A的功耗。提高效率主要是要降低变换器的损耗，变换器的主要损耗为输出整流二极管的损耗，两个MOSFET损耗，还有磁芯漏磁损耗。对于整流二极管我们采用的是肖特基二极管，它具有很快的恢复能力，属于低功耗、超高速半导体器件，通过它的电流为7A，而根据上面所求变压器的匝数可以得出: 可以计算出输出电压为35V，则它的功耗 而开关管上面的压降为1V，即可得到开关管上的功耗为:
2.3.4数字设定及显示电路的设计
由于在输出端采样时测得的反馈电压为输出电压的十八分之一，即分压为1.95V时输出电压为35V，分压为1.67V时输出电压为30V，设计中采用10位A/D转换精度为2.5mV(参考电压为2.56V)，直接输出给SG3525提供参考电压。为了降低功耗本设计采用12864LCD作为显示即显示采样得到的各个采样量。
2.5 软件设计
系统上电之后均处于未工作状态，给SG3525芯片一个启动电压产生PWM信号输出电压值并显示在LCD上面，将预置电压与输出电压值进行比较，调整电压值并送给SG3525使其产生PWM输出电压值，使LCD上面显示输出的实测电压和实测电流值。软件流程图如下
图7 程序流程图
3 系统调试
调试过程分为三部分:硬件调试、软件调试、软硬件调试
3.1 硬件调试:
由于该系统的闭环控制主要由PWM芯片SG3525自动控制，单片机主要起输出参考电压，显示等一些辅助作用，再者根据理论值进行元器件的选择，由于精度和干扰的影响，往往得到的结果与理论分析值又有一定的偏差，因此硬件调试的难度很大。
3.2 软件调试:
本系统的软件程序完全由C51编写，C语言编写效率较高，但同时也存在一些缺点，比如严格定时比较困难。在调试的过程中采取的是置上向下的调试方法，单独调试好每个模块，然后再连接成一个完整的调试系统。
3.3 软硬连调
由于被系统软硬件联系的不是很紧密，一般是软件D/A输出后就能直接和硬件相连进行工作，因此在软硬件通调的话，系统的软硬件调试难度不大。
直流稳压电源实验报告(终)
直流稳压电源实验报告--liu
直流稳压电源技术指标
