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本贴介绍一款可调压的直流电源的软硬件设计，截取本人毕业设计的部分内容，并附带本人毕业设计初稿文件，本帖内容仅供学习使用，未经本人同意不允许用于任何商业活动，围着本人保留追究法律责任的权利。
本设计采用TL494芯片为电力电子功率变换转置主控芯片产生PWM信号，通过隔离变压器驱动开关管工作；使用DK112芯片设计一个辅助电源，为控制系统供电，使用一个线性管控制电力电子功率变换转置输出电源。使用TL084运放搭建PI调节器进行电压、电流进行调节；使用运放LM358进行温度保护；
使用STM32作为控制板主控芯片负责采样、电压、电流等参数并通过TFT液晶屏显示出来。
1.1 电力电子功率变化电路的设计（1）输入干扰滤波器（EMI）：过滤掉电网中的高次谐波和电磁干扰，同时开关功率管高速动作会产生较强的电磁干扰，输入干扰滤波器也防止本机产生的杂波干扰进入供电网络。
图2 输入干扰滤波器
原理：在一个闭合的磁环对称绕上扎数比以为1:1方向相反的线圈，形成工模电感，如图3所示当电源电流流过时在两个线圈中方向相反，根据右手螺旋定制可知产生的磁场方向相同，磁场相互抵消阻抗很低；当流过共模干扰信号时，在两个线圈中的流向相同，产生磁场相互叠加，具有很高的阻抗，所以可以虑除干扰。也可以防止电力电子功率变换转置中开关管高频开通、关断所产生的振荡干扰信号反馈到电网，从而影响电网的供电质量达到EMI的要求。R1、R2为NTC负温度系数热敏电阻，在功率电路的电源输入主路串上NTC电阻可以抑制电路的浪涌电流；负温度系数热敏电阻在常温下有比较大的零功率电阻，可以抑制浪涌电流，当完成抑制浪涌电流的任务，随着正常电流的流经，NTC热敏电阻发热，其阻值减小。
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图3 共模电感原理
（2）正负12v辅助电源：控制电路的主控芯片和运放芯片等都需要一个低压的直流电源供电，所以还需要设计一个将220V交流电转成12V低压直流电的辅助电源；这里采用小型开关电源专用芯片DK112;
芯片介绍：DK112专用小功率开关电源芯片，内置高压开关管采用双极型晶体管设计，内部自带供电电路无需外加电源，集成高压恒流启动电路，内置过流、过载、输出短路、过温保护电路，自带PWM震荡电路，设有斜坡补偿功能。图4为其内部工作电路
图4 内部工作电路
工作原理：
上电启动：当外部电源上电时，直流高压经开关变压器传至芯片的COLLECTOR端（5678引脚），后经内建高压恒流启动电路将启动电流送至开关管Q1的B极，通过开关管Q1的电流放大（约为20倍放大）进入电源管理电路经D1为Vcc外部电容C1充电，同时为Fb预提供一个3.6V电压（Fb引脚对地应接入一只滤波电容），当Vcc的电压逐步上升至5V时，振荡器起振，电路开始工作，控制器为Fb开启一个约为25uA的对地电流源，电路进入正常工作
正常工作：电路完成启动后，振荡器开始工作，触发器的Q1，Q2输出高电平，高压晶体管与功率MOS管同时导通，开关电流经晶体管与功率MOS管接到40Ω电流取样电阻，并在电阻上产生与电流成正比的电压，（由于开关变压器分布电容的存在，在电路开通的瞬间有一个高的尖峰电流，为了不引起电路的误动作，在电路开通时启动一个前沿消隐电路将尖峰电流去除，消隐时间为250nS），控制端Fb电压经斜坡补偿后与取样电阻上的电压相加后与0.6V的基准电压相比较，当电压高于基准电压时比较器输出低电平，触发器的Q1，Q2输出低电平，高压晶体管与功率MOS管同时关断，COLLECTOR端电压上升，电路进入反激工作，在下一个振荡周期到时，电路将重新开始导通工作。
辅助电源工作原理：如图5所示电网电源经输入干扰滤波器滤波后输入镇流桥，经整流桥整流后得到高压直流电，通入10UF耐压400V的铝电解电容滤波，可得到一个稳定的300V直流电，按照电路图连接，高压直流电经一个高频变压器之后接入DK112芯片之后接负极，在高频变压器的次级线圈接一个整流二极管再并联一个电容便可得到一个低压的直流电，低压直流电需要接一个光耦再接一个稳压二极管，当低压直流电电压超过稳压二极管的击穿电压时稳压二极管被击穿，光耦导通，DK112芯片的控制引脚FB电平被拉高，芯片中的开关管关断，变压器输出电压停止上升，所以辅助电源输出的电压由稳压二极管决定，因为这里需要12V的低压直流电，所以选用12v的稳压二极管，便可以得到正负12V的低压直流电，为控制电路供电。
图5 辅助电源
（3）基于TL494的PWM调制电路：
TL494芯片介绍:TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于桥式单端正激双管式、半、全桥式开关电源。具有以下特点：
1、集成了全部的脉宽调制电路。
2、片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。
3、内置误差放大器。
4、内置5V参考基准电压源。
5、可调整死区时间。
6、内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。
7、推或拉两种输出方式。
图6为其内部结构图
图6 内部结构图
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。
输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外2个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。
控制信号由集成电路外部输入，一路送至时间死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波的周期4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。2个误差放大器具有从—0.3V到(vcc—2.0)的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉的到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路。
图7 工作时序图
根据TL494芯片的工作原理可以设计如图8所示的PWM调控电路
图8 PWM控制电路
从TL494的工作时序图可以看出只有当死区时间控制引脚FB的电平低于锯齿波电平是，输出三极管才有可能导通，输出高电平，为了防止两个MOSFET管同时导通，需要设置一个死区时间，通过两个电阻分压可以得到一个死区电压，将死区电压接入TL494芯片的第四个引脚FB可以控制死区时间；为了主控板可以控制整个电力电子功率变化转置是否工作，再加入一个启动电路如图八左侧的方框所示，当控制信号K_ON_nOFF悬空或是给低电平时三极管Q1截止，死区引脚电平通过D19二极管被拉到12V的高电平，在整个周期内输出三极管都是截止的TL494不输出PWM，停止工作。
芯片的第五引脚接一个电容，第六引脚接一个电阻再接地，可以决定TL494芯片输出PWM的频率。
之后利用TL494自带的两个误差放大器搭建PWM的控制电路，这里的控制思路是利用一个MOSFET作为线性管串在电力电子功率变换装置的输出端，PWM的控制电路采样MOSFET线性管的压降作为控制对象，通过比例放大MOSFET管的压降与给定压降的误差，积分MOSFET管的压降与给定压降的误差得到输出调节PWM的占空比，进而调节电力电子功率变换装置的输出电压，使得MOSFET管的压降一直维持在给定压降，所以我们可以通过改变线性MOSFET管的导通角进而改变电力电子功率变换装置输出的电压，经考虑PWM控制电路采用电压串联负反馈电路结构进行调节。如图9 Us为采样线性MOSFET管的电压经电阻
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图9 线性管调控电路
R54、R9、R10接地；电阻R9、R10间的电位接入误差放大器的一号引脚即同相输入端；电容C20接R19形成RC滤波电路与电阻R54、R9并联后稳定采样电压Us，为了防止关断电力电子功率变换装置输出时采样回来的Us电压过高损坏TL494芯片所及加上稳压二极管D10，当一号引脚电压超过12v时稳压二极管D10被击穿，维持12V电压。电阻R22与电阻R28串联分压得到给定电压接入误差放大器的反向输入端二号引脚。TL494芯片的第三号引脚FB为误差放大器的输出引脚，所以二号引脚接一个电阻再串联一个电容接到三号引脚可组成PI调节器，根据参数计算可得反向输入端的给定电平为0.8V，根据虚短虚断当调节稳定时，一号引脚也为0.8V，再根据基尔霍夫电压定律计算可得Us为1.1V左右，所以这个电路一直调节线性MOSFET管的压降为1.1V，当控制线性MOSFET管的导通角增大时，线性MOSFET管的压降降低，即Us小于1.1V同相输入端的电压低于反向输入端，存在负误差，误差开始积分，IP调节器的输入减小，三号引脚的电平开始降低，TL494输出的PWM占空比增大，所以电力电子功率变换装置输出的电压增加，线性MOSFET管的压降开始上升至1.1V为止；若要降低电力电子功率变换装置输出的电压，则减小线性MOSFET管的导通角，线性MOSFET管的压降增大，Us电压高于1.1V，PI调节器的同相输入端电压高于反向输入端的电压，出现正误差，误差开始积分，PI调节器的输出增大，TL494输出的PWM占空比开始减小，电力电子功率变换装置输出的电压降低，使线性MOSFET管的压降维持在1.1V。从而实现对电力电子功率变换装置输出电压的控制。
TL494芯片中的两个输出三极管都是集电极、发射机开路的，要输出PWM波形需要集电极接12V，之后两个发射机可输出互补的PWM。
（4）MOSFET管驱动电路：
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TL494产生的PWM控制信号不能直接MOSFET管的栅极，因为电力电子功率变换装置采用半桥电路结构。有两个MOSFET管需要驱动，两组PWM信号需要进行隔离之后再驱动MOSFET管，如果没有隔离直接驱动MOSFET管会短接一个MOSFET管，导致一上电就炸管。这里采用隔离变压器进行隔离。现将PWM控制信号如图10所示的H桥驱动电路。
图10 H桥驱动电路
E1、E2为PWM信号的输出信号，D1、D2接隔离变压器，如图所示当E1为高电平时Q5导通Q2截止D2为高电平；E2为低电平时Q6截止Q3导通D1为低电平；电流从D2流向D1；
当E1为低电平时Q2导通Q5截止D2为低电平；E2为高电平时Q3截止Q6导通D1为高电平；电流从D1流向D2；
从隔离变压器感应出来的信号为交流信号需要对其进行整流便可得到所需要的PWM信号，但要注意这个PWM信号还不可以直接接到MOSFET管上；MOSFET管具有寄生电容，必须构建放电回路，使关断MOSFET管时，MOSFET管寄生电容的电荷能够流走，MOSFET管才能关断；如果没有构建放电回路的话；MOSFET管则无法及时关断，导致两个MOSFET管同时导通，出现炸管现象。设计如图11所示放电电路。
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图11 MOSFET放电电路
当Lg电压高于Ls时D18导通MOSFET管Q8导通，三极管Q10导通，三极管Q12截止，当Lg电压为低Ls电压为高时D18截止由于MOSFET管寄生电容的存在，使Q12的发射机电压最高；使Q10跟Q12导通，MOSFET管寄生电容放电，当MOSFET管寄生电容的电放完后MOSFET管Q8截止关断，Q10，Q12也关断。有了这一个续流放电电路，MOSFET就能快速的开通关断。
（5）尖峰脉冲（电流浪涌与电压浪涌）吸收电路：
开关的通断与二极管反向恢复时都要产生较大电流浪涌与电压浪涌。而抑制开关接通时电流浪涌的最有效方法是采用零电压开关电路。另一方面， 开关断开的电压浪涌与二极管反向恢复的电压浪涌可能会损坏半导体元件， 同时也是产生噪声的原因。为此， 开关断开时， 就需要采用吸收电路。二极管反向恢复时， 电压浪涌产生机理与开关断开时相同。图12所示是一个RC吸收网络的电路图。它是电阻Rs与电容Cs串联的一种电路，同时与开关并联连接的结构。若开关断开， 蓄积在寄生电感中的能量对开关的寄生电容充电的同时， 也会通过吸收电阻对吸收电容充电。这样，由于吸收电阻的作用，其阻抗将变大， 那么， 吸收电容也就等效地增加了开关的并联电容的容量，从而抑制开关断开的电压浪涌。而在开关接通时，吸收电容又通过开关放电，此时，其放电电流将被吸收电阻所限制。
图12 RC吸收电路
（6）输出主路：输出主路采用半桥式电路，半桥电路是两个三极管或MOS管组成的振荡，全桥电路是四个三极管或MOS管组成的振荡。全桥电路不容易产生泻流，而半桥电路在振荡转换之间容易泻有电流使波形变坏，产生干扰。半桥电路成本低，电路容易形成，全桥电路成本高，电路相对复杂，所以选用半桥电路。
图13为本设计使用的半桥式电路。
图13 半桥电路
公用电网输入的交流电经过输入干扰滤波器（EMI）滤波后得到相对纯净的交流电，接入整流桥得到300V高压直流电，选用两个耐压至少200V的铝电解电容串联后接入进行滤波稳压，同时300V并联由两个MOSFET管串联形成的半桥电路，用一个耐压400V以上的CBB电容连接两个高压滤波电容与高频变压器，之后高频变压器原线圈的另一端接入两个开关管之间；当开关管Q7导通时Q8截止；电流从电源正极流经开关管Q7，在流过高频变压器，再流过去滤波电容，当开关管Q7截止，开关管Q8导通时，电流从滤波电容流经高频变压器，之后流经开关管Q8流入负极。形成一个交变电流，经过高频变压器后再高频变压器次级线圈感应出高频低压交流电，再经过整流管U15整流后可以得到低压直流电，经过整流管整流后的直流电还不稳，有高频脉动，需要通过查模电感和滤波电容进行滤波稳压后便可以得到稳定的直流电压，在输出的低压直流电并联一个25K的电阻用做电容的放电电阻。在电力电子功率变换装置的输出端前加装一个线性MOSFET管用于调节电力电子功率变换装置的输出电压，之后再串联一个毫欧电阻，用于采样电力电子功率变换装置的输出电流。
此外高频变压器还留有一组次级线圈，经二极管整流后用滤波电容滤波稳压为散热风扇提供电能；当电力电子功率变换装置输出功率达到一定的功率时，次级线圈感应的电能足以驱动风扇时，风扇启动，且散热风扇随着输出功率的增大，转速增大；
1.2 控制电路、保护电路设计（1）温度保护电路：
图14 过温保护电路
如图14所示为过温保护电路，T6为NTC负温度系数热敏电阻下表为该热敏电阻的温度与阻值对应表，查表可得当温度为82摄氏度时阻值为1.5K；设定保护温度为82摄氏度；利用运放LM358搭建一个电压比较器，当温度低于82摄氏度时，采样回来的电压高于比较电压，电压比较器输出高电平；当温度高于82摄氏度，采样电压低于比较电压，比较器输出低电平，主控芯片STM32检测比较器输出电压，当为高电平时系统可以正常工作，当检测比较器输出电压为低电平时温度超过保护温度，关闭输出，使系统停止工作。
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T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
-40 |
190.5562 |
-27 |
99.5847 |
-14 |
53.1766 |
-1 |
29.2750 |
-39 |
183.4132 |
-26 |
94.6608 |
-13 |
50.7456 |
0 |
28.0170 |
-38 |
175.6740 |
-25 |
90.0326 |
-12 |
48.4294 |
1 |
26.8255 |
-37 |
167.6467 |
-24 |
85.6778 |
-11 |
46.2224 |
2 |
25.6972 |
-36 |
159.5647 |
-23 |
81.5747 |
-10 |
44.1201 |
3 |
24.6290 |
-35 |
151.5975 |
-22 |
77.7031 |
-9 |
42.1180 |
4 |
23.6176 |
-34 |
143.8624 |
-21 |
74.0442 |
-8 |
40.2121 |
5 |
22.6597 |
-33 |
136.4361 |
-20 |
70.5811 |
-7 |
38.3988 |
6 |
21.7522 |
-32 |
129.3641 |
-19 |
67.2987 |
-6 |
36.6746 |
7 |
20.8916 |
-31 |
122.6678 |
-18 |
64.1834 |
-5 |
35.0362 |
8 |
20.0749 |
-30 |
116.3519 |
-17 |
61.2233 |
-4 |
33.4802 |
9 |
19.2988 |
-29 |
110.4098 |
-16 |
58.4080 |
-3 |
32.0035 |
10 |
18.5600 |
-28 |
104.8272 |
-15 |
55.7284 |
-2 |
30.6028 |
11 |
18.4818 |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
12 |
18.1489 |
25 |
10.0000 |
38 |
6.1418 |
51 |
3.9271 |
13 |
17.6316 |
26 |
9.5762 |
39 |
5.9343 |
52 |
3.7936 |
14 |
16.9917 |
27 |
9.1835 |
40 |
5.7340 |
53 |
3.6639 |
15 |
16.2797 |
28 |
8.8186 |
41 |
5.5405 |
54 |
3.5377 |
16 |
15.5350 |
29 |
8.4784 |
42 |
5.3534 |
55 |
3.4146 |
17 |
14.7867 |
30 |
8.1600 |
43 |
5.1725 |
56 |
3.2939 |
18 |
14.0551 |
31 |
7.8608 |
44 |
4.9976 |
57 |
3.1752 |
19 |
13.3536 |
32 |
7.5785 |
45 |
4.8286 |
58 |
3.0579 |
20 |
12.6900 |
33 |
7.3109 |
46 |
4.6652 |
59 |
2.9414 |
21 |
12.0684 |
34 |
7.0564 |
47 |
4.5073 |
60 |
2.8250 |
22 |
11.4900 |
35 |
6.8133 |
48 |
4.3548 |
61 |
2.7762 |
23 |
10.9539 |
36 |
6.5806 |
49 |
4.2075 |
62 |
2.7179 |
24 |
10.4582 |
37 |
6.3570 |
50 |
4.0650 |
63 |
2.6523 |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
T(℃) |
R(KΩ) |
64 |
2.5817 |
77 |
1.7197 |
90 |
1.2360 |
103 |
0.8346 |
65 |
2.5076 |
78 |
1.6727 |
91 |
1.2037 |
104 |
0.8099 |
66 |
2.4319 |
79 |
1.6282 |
92 |
1.1714 |
105 |
0.7870 |
67 |
2.3557 |
80 |
1.5860 |
93 |
1.1390 |
106 |
0.7665 |
68 |
2.2803 |
81 |
1.5458 |
94 |
1.1067 |
107 |
0.7485 |
69 |
2.2065 |
82 |
1.5075 |
95 |
1.0744 |
108 |
0.7334 |
70 |
2.1350 |
83 |
1.4707 |
96 |
1.0422 |
109 |
0.7214 |
71 |
2.0661 |
84 |
1.4352 |
97 |
1.0104 |
110 |
0.7130 |
72 |
2.0004 |
85 |
1.4006 |
98 |
0.9789 |
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