1.2 一个成功的例子

2007年全国大学生电子设计竞赛本科组题目：开关稳压电源（E题），同样的题目两种不同的解决方案，首先看一下设计题目。

1. 任务

设计并制作如图1.1所示的开关稳压电源。

2. 要求

在电阻负载条件下，使电源满足下述要求。

（1）基本要求

①输出电压UO可调范围：30～36V；

②最大输出电流IOmax：2A；

③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；

④IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；

⑤输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V，UO=36V，IO=2A）；

⑥ DC/DC变换器的效率η≥70%（U2=18V，UO=36V，IO=2A）；

⑦具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5A±0.2A。

（2）发挥部分

①进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；

②进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；

③进一步提高效率，使η≥85%（U2=18V，UO=36V，IO=2A）；

④排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；

⑤能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值为1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。

⑥其他。

3. 说明

① DC/DC变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。

②U2可通过交流调压器改变U1来调整。DC/DC变换器（含控制电路）只能由UIN端口供电，不得另加辅助电源。

③本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于20MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）测量UOPP。

④本题中电压调整率SU指U2在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；负载调整率SI指IO在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；DC/DC变换器效率η=PO/PIN，其中PO=UOIO，PIN=UINIIN。

⑤电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）。

⑥制作时应考虑方便测试，合理设置测试点（参考图1.1）。

⑦设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。

4. 评分标准（见表1.1）

笔者当年带的两个参赛队伍均选择了这个题目，在4天3夜的竞赛过程中两组队员均完成了自己的作品，其性能指标基本达到题目设计要求。两组队员利用了暑假时间与笔者共同研究可能在比赛中使用的电路，积极锻炼自己的实际动手能力，在此期间积累了较丰富的硬件电路设计制作经验，其中也实际制作了很多开关电源电路，对DC/DC变换器比较熟悉，这也是这两组队员都选择该题目的原因，最终两组参赛选手分别获得国家二等奖和省一等奖的成绩。

其中第一组队员（刘海洋、刘正义、张良）采用SG3525A脉宽调制型控制器进行主回路控制制作推挽式开关电源。其解决方案框图如图1.2所示，主要由隔离变压器、整流滤波电路、DC/DC变换器、保护电路等组成。电路采用IRFP150作为功率MOS管，输出整流电路采用了MUR3020快速恢复二极管进行整流。虽然电路部分元器件的选择有待商榷，但电路具有较高稳定性，其各方面测试指标均满足题目设计要求，最终获得国家二等奖的成绩。

SG3525A由基准电压源、振荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级、软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0～70℃。基准电压为5.1V（1±1%），工作电压范围很宽，为8～35V。其外部电路简单，只需在其各功能引脚扩展简单电路，芯片即可完成误差放大、脉宽调制等，会在其输出端得到所需的两个反相的脉冲，推挽输出；经反馈回路，再进行误差放大、脉宽调制控制输出。由死区电阻来控制死区时间，减小纹波。在设计中开关频率选择50kHz，有效地控制了开关管的开关损耗及导通损耗；另外开关输出采用推挽式，有效控制死区时间使调制信号占空比近100%；采用IRFP150的MOS管，其导通损耗为0.036W，整流二极管选用快速恢复整流二极管MUR3020，在输出电流为2A时，管压降小于0.5V，较其他管子要小得多。且其反向恢复时间在输出为2A时仅为20ns，恢复速度快，从而有效降低损耗，且基本不会有热量产生，此外变压器采用三明治绕法，可有效地降低漏感，进一步提高效率。利用上述形式，实际实验验证该电路的效率可达到85%以上。

电路原理图和相应的电路说明在第7章中有详细的说明，在此无需详细介绍。设计开关稳压电源，主要是处理好主回路与控制回路的关系，控制回路作为电源的核心，主要是注重电源控制芯片的应用，参考设计指标在众多芯片中挖掘出功能匹配最佳的，本设计中采用的是SG3525A。其内部结构功能齐全只需在外部扩展少量元件即可完成设计要求。另外在设计开关电源还要考虑到其效率问题，必须尽量提高DC/DC变换器的效率。如图1.3所示为该作品的实际照片。

另一组队员（刘志伟、吕兴东、陈鹏）采用由UC3843作为主要控制芯片实现的DC/DC变换器，属于单管变换，来实现开关稳压电源的设计，总体框图如图1.4所示。实验结果表明，该开关稳压电源具有频响快、电压调整率和负载调整率高的特点，是一种性能较好的开关稳压电源。经实验调试，电路测试指标基本满足题目设计要求，最终获得省一等奖的成绩。

用UC3843做开关的电源的核心器件，它产生脉宽可调而频率固定的脉冲输出，推动开关功率管的导通和截止，通过高频变压器换能将电压输出到次级绕组上，再经整流和滤波向负载提供直流电源，电源兼反馈绕组取得的控制电压同时输入UC3843误差放大器，与基准电压比较产生控制电压，控制输出脉宽的占空比，从而达到稳压目的。最可靠的控制方式是峰值电流型控制方式，而UC3843系列是最简单的控制集成电路。

主控芯片采用脉宽调制集成电路UC3843，是一种电流型控制的专用芯片。它具有欠压锁定电路，低静态电流（1mA），大电流输出，内置能隙参考电压，500kHz工作频率，低误差放大器，输出电压调整率可达0.01V，非常接近线性稳压电源的电压调整率，低启动电流（仅1mA），启动电路非常简单等特点。

变换器的开关器件采用功率MOSFET，依据单管变换器计算电压的经验公式，取

式中，Udmax为漏-源极的最大电压，D为占空比。

所以，功率MOSFET的反向电压应选用大于84V的，电流按高频变压器一次绕组的最大电流来确定。由此选用耐压100V、电流40A的IRF150。

UC3843工作频率可达500kHz，设计中开关频率为250kHz，可以通过连接在UC3843的第4引脚的Rt、Ct（定时电阻、定时电容）来确定：

式中，R选择值为6.8kΩ的碳膜电阻，C选择值为1nF的陶瓷电容。电路原理图如图1.5所示。

图1.5中R12为过流检测电阻，根据下式计算得到检测电阻R12的阻值。

ISMAX≈1.0V/RS

这个电阻要设得很小，以降低电阻上的损耗，图1.5中设计为两个10Ω电阻并联。检测电压送入UC3843的3脚。3脚电压高于1V过流保护电路就动作，使6脚停止输出矩形波，电路停止工作。3脚还要接一个RC滤波器以抑制开关管的尖峰电流，图1.5中这个滤波器由R8及C7组成。

反馈误差放大器设计，R1、R9及C3构成积分型调节器，电阻R1和R9的比例关系影响系统的动态特性。R1和R9的比值可以改变UC3843电压误差放大器的放大倍数，对于一定的反馈电压量，可使PWM调节器的输出脉宽不同，从而影响输出电压调节幅度，即影响指标中输出的动态响应调节幅度。积分器的电容C3的大小影响系统的调节速度，即影响指标中输出的动态响应时间。

图1.6所示为测试方法连接示意图，采用0.5级电流表1对输入电流进行测量，0.5级电压表1对输入电压进行测量，0.5级的电流表2和电压表2对输出的电压电流进行测量，负载采用滑动变阻器。测试中使用到的仪器仪表见表1.1，测试数据见表1.2至表1.5。

本方案以UC3843作为主控制芯片构成DC/DC变换器，完成开关稳压电源的制作。实现了电压连续可调，稳定输出，过流保护，自动恢复等功能，很好地满足了基本要求并较好地完成了部分发挥部分的要求。

在开关稳压电源的设计和制作过程中，本方案遇到的主要难点在于电感磁芯型号、气隙大小、线圈匝数适配等问题，通过仔细研究，多次实验验证，最终以上问题都较为圆满地解决。在制作后期，电压随电流输出加大呈现不稳定状态，经过多次实验与反复计算，最后采用在UC3843的VCC电源端加接稳压二极管，稳定芯片供电电压，本问题相应得到了很好的解决。

以上的内容均摘自两参赛队伍提交的设计报告，其中给出的电路图和测量数据均为比赛中设计的电路及实际测量的结果。对于专业电源设计工作者来说，仔细观察电路会有很多不妥当地方，但对于电子设计竞赛中的作品，学生能够在短短的几天之内完成作品，并能够提供其作品的测试条件和参数，已经达到了锻炼学生实际设计电路及动手能力的目的。