本科畢業(yè)論文--開關(guān)穩(wěn)壓電源.doc

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 論文題目： 開關(guān)穩(wěn)壓電源 學(xué)生姓名： 專業(yè)年級： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師： 職稱 講師 2009年 6 月 2 日目 錄題目摘要關(guān)鍵詞1 前 言1.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源的分類1.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源原理及選用1.3 輸出電流的選擇1.4 保護(hù)電路1.5 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向2 方案比較與論證2.1 dc-dc變換電路的方案比較2.2 方案論證2.2.1 系統(tǒng)總框圖2.2.2 dc-dc主回路拓?fù)?.2.3 控制方法及實現(xiàn)方案2.2.4 tl494芯片2.2.5 系統(tǒng)論證2.2.6提高效率的方案及實現(xiàn)方案3 電路設(shè)計及參數(shù)計算3.1 電源硬件電路的設(shè)計3.2電源軟件設(shè)計3.3 主回路器件的選擇及參數(shù)計算3.4 控制電路設(shè)計及參數(shù)計算3.4 效率的分析及計算3.4.2 開關(guān)損耗:3.5 保護(hù)電路設(shè)計及參數(shù)計算3.5.1 過流保護(hù)和過壓電路設(shè)計:3.6 數(shù)字設(shè)定設(shè)計及顯示電路的設(shè)計:3.6.1 數(shù)字設(shè)定3.6.2 電壓電流顯示設(shè)計:4 主程序清單4.1串口液晶顯示芯片upd16682a簡介4. 2 系統(tǒng)的主電路圖5 測試方法與數(shù)據(jù)5.1 測試儀器：5.2 測試方法及測量數(shù)據(jù)5.2.1 dc-dc變換器效率測試5.3 系統(tǒng)的測試6 測試結(jié)果分析7結(jié)論參考文獻(xiàn)致 謝附錄一附錄二附錄三開關(guān)穩(wěn)壓電源 學(xué) 生：常耘嘉 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師：宮鶴 摘要：本系統(tǒng)設(shè)計采用一種具有高精度、高效率低紋波為特點(diǎn)的開關(guān)穩(wěn)壓電源，采用12位高精度a/d轉(zhuǎn)換和經(jīng)典的硬開關(guān)技術(shù)以便于提高控制精度和提高變換效率。在隔離變壓之后，用倍壓管整流，再應(yīng)用buck電路降壓，實現(xiàn)dc-dc變換，并用三個mcu組成控制電路，產(chǎn)生pwm脈沖調(diào)制信號。用其信號反饋給buck電路的輸入端，控制開關(guān)功率器件的開通和關(guān)斷，最終能夠簡易的、高效率的實現(xiàn)電路控制。且具有鍵盤設(shè)定、步進(jìn)、液晶顯示鍵盤設(shè)定值等功能,實現(xiàn)了在3036v的輸出電壓范圍內(nèi)任意設(shè)定電壓,步進(jìn)調(diào)整,步進(jìn)值1v,同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。關(guān)鍵詞:重復(fù)控制 數(shù)字pid 控制 變頻電源switching power supply name：chang yunjia major：electronic information science and technology tutor：gong he abstract :the system is designed with a high-precision, high-efficiency low-noise characteristics for the switching power supply by 12 high-precision a / d conversion and the classic hard-switching technology in order to improve control accuracy and efficiency of transformation. the isolation transformer, rectifier with times of pressure, more of buck circuit buck to achieve dc-dc converter and used three components mcu control circuit, have pwm pulse modulation signals. with its signal to the feedback input terminal buck circuit, control switching power devices and the opening and shutdown that will ultimately simple, efficient control of circuit. and with the keyboard settings, stepper, lcd keyboard settings, and other functions, to achieve a 30 to 36v output voltage range set arbitrary voltage step adjustment, stepping value 1v, with the output voltage and current measurement and digital display. key words: repetitive control digital pid control of variable frequency power supply1 前 言 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源 1 ，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制ic和mosfet構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。 開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。智能化進(jìn)一步提高, 便于實時監(jiān)控2.另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。1.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源的分類 人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為ac/dc和dc/dc兩大類，dc/dc變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但ac/dc的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。1.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源原理及選用 開關(guān)k以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)k接通時，輸入電源e通過開關(guān)k和濾波電路提供給負(fù)載rl，在整個開關(guān)接通期間，電源e向負(fù)載提供能量；當(dāng)開關(guān)k斷開時，輸入電源e便中斷了能量的提供?？梢?，輸入電源向負(fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關(guān)接通時將一部份能量儲存起來，在開關(guān)斷開時，向負(fù)載釋放。圖中，由電感l(wèi)、電容c2和二極管d組成的電路，就具有這種功能。電感l(wèi)用以儲存能量，在開關(guān)斷開時，儲存在電感l(wèi)中的能量通過二極管d釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管d使負(fù)載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。在ab間的電壓平均值eab可用下式表示： eab=ton/t*e式中ton為開關(guān)每次接通的時間，t為開關(guān)通斷的工作周期（即開關(guān)接通時間ton和關(guān)斷時間toff之和）。由式可知，改變開關(guān)接通時間和工作周期的比例，ab間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整ton和t的比例便能使輸出電壓v0維持不變。改變接通時間ton和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制”（time ratio control,縮寫為trc）。按trc控制原理，有三種方式： 一、脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation,縮寫為pwm）開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。 二、脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation,縮寫為pfm）導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。 三、混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。 開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（多級串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)(0.51）。1.3 輸出電流的選擇 因開關(guān)電源工作效率高，一般可達(dá)到80以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測量或計算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為： is=kif 式中：is開關(guān)電源的額定輸出電流；if用電設(shè)備的最大吸收電流；k裕量系數(shù)，一般取1.51.8；1.4 保護(hù)電路 開關(guān)電源在設(shè)計中必須具有過流、過熱、短路等保護(hù)功能，故在設(shè)計時應(yīng)首選保護(hù)功能齊備的開關(guān)電源模塊，并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。1.5 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向 開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（mnzn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關(guān)鍵技術(shù)。smt技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的pwm開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實現(xiàn)zvs、zcs的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對于高可靠性指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。 目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的khz、用制成的khz電源，雖已實用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。要提高開關(guān)頻率，就要減少開關(guān)損耗，而要減少開關(guān)損耗，就需要有高速開關(guān)元器件。然而，開關(guān)速度提高后，會受電路中分布電感和電容或二極管中存儲電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會影響周圍電子設(shè)備，還會大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用r-c或l-c緩沖器，而對由二極管存儲電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。不過，對1mhz以上的高頻，要采用諧振電路，以使開關(guān)上的電壓或通過開關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開關(guān)損耗，同時也可控制浪涌的發(fā)生。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。目前對這種開關(guān)電源的研究很活躍，因為采用這種方式不需要大幅度提高開關(guān)速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開關(guān)電源高頻化的一種主要方式。當(dāng)前，世界上許多國家都在致力于數(shù)兆hz的變換器的實用化研究。 模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計成n1冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項技術(shù)得以實用化。電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。2 方案比較與論證 整個系統(tǒng)可劃分為控制模塊，d/a轉(zhuǎn)換模塊,a/d采集模塊，隔離變壓器模塊，整流濾波模塊,dc-dc變換模塊，鍵盤設(shè)定電壓升降，液晶顯示模塊。參考下圖。圖2 系統(tǒng)圖fig system為實現(xiàn)各模塊的功能，設(shè)計了幾種不同的方案并進(jìn)行了論證。2.1 dc-dc變換電路的方案比較方案一: buck-boost dc-dc變換器 圖2.1 dc-dc變換器原理圖 fig2.1 dc-dc converter schematic 本方案由場效應(yīng)管t，電感l(wèi)，電容c1，電容c2和肖特基d構(gòu)成，由于效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻小，不存在二次擊穿，以及肖特基的工作速度快，故可實現(xiàn)升壓，降壓。dc/dc變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：（1）buck電路降壓斬波器，其輸出平均電壓 u0小于輸入電壓ui，極性相同。（2）boost電路升壓斬波器，其輸出平均電壓 u0大于輸入電壓ui，極性相同。（3）buckboost電路降壓或升壓斬波器，其 輸出平均電壓u0大于或小于輸入電壓ui，極性相反，電感傳輸。（4）cuk電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電 壓u0大于或小于輸入電壓ui，極性相反，電容傳輸。當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得dc/dc發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國vicor公司設(shè)計制造的多種eci軟開關(guān)dc/dc變換器，其最大輸出功率有300w、600w、800w等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)w/cm3，效率為（8090）。日本nemiclambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊rm系列，其開關(guān)頻率為（200300)khz，功率密度已達(dá)到27w/cm3，采用同步整流器（mosfet代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90。方案二:半橋諧振變換器 圖2.1.1 半橋諧振變換器原理圖 fig2.1.1 schematic half-bridge resonant converter 本方案采用半橋諧振變換電路，由兩個場效應(yīng)管構(gòu)成半橋，lc組成諧振電路。采用軟開關(guān)技術(shù)可以減少電力電子器件在開通和關(guān)斷瞬間,加在電力電子器件兩端的電壓和通過電流的重疊時間，從而減少電力電子器件的開關(guān)損耗，同時抑制電壓或電流過沖的發(fā)生。 ac/dc變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。ac/dc變換器輸入為50/60hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如ul、ccee等）及emc指令的限制（如iec、fcc、csa），交流輸入側(cè)必須加emc濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制ac/dc電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決emc電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了ac/dc變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。 ac/dc變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先將工頻交流整流為直流，再逆變?yōu)楦哳l，最后再經(jīng)整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。電路設(shè)計及布局不合理、機(jī)械振動、接地不良等都會形成內(nèi)部電磁干擾。同時，變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，也是潛在的強(qiáng)干擾源。 圖2.1.2 ac/dc開關(guān)電源基本框圖 fig2.1.2 ac / dc switching power supply basic block diagram方案三：buck電路 buck變換器是一種降低直流電壓的變換電路，它是由開關(guān)s、電感l(wèi)、電容c、輸入直流電壓和電阻負(fù)載組成。這里理想的開關(guān)采用的是tip147功率達(dá)林頓三極管和肖特基二極管。tip147的電流大約10a，而且管飽和壓降小。肖特基二極管導(dǎo)通速度快，壓降小，反向恢復(fù)時間短方案一使用的是硬開關(guān),開關(guān)損耗大,效率低，方案二的設(shè)計使用軟開關(guān), 但經(jīng)過實驗證明，該電路電流峰值大，電壓控制特性差，其控制電路復(fù)雜，效率難以達(dá)到指標(biāo)要求。相比之下,方案三采用硬開關(guān)技術(shù)，電路簡單，也容易控制，更容易得到較高的精度和更穩(wěn)定的輸出,效率也高。因此,本系統(tǒng)采用方案三。2.2 方案論證2.2.1 系統(tǒng)總框圖 圖2.2.1 系統(tǒng)總體框圖 fig2.2.1 overall system block diagram2.2.2 dc-dc主回路拓?fù)?圖2.2.2 dc-dc主回路拓?fù)鋱D fig2.2.2 dc-dc main circuit topology2.2.3 控制方法及實現(xiàn)方案 本方案利用stc89c51單片機(jī)、a/d、鍵盤共同控制dc-dc變換器的工作。同時從dc-dc電路輸出端用電位器取出電壓信號，從電流取樣電阻取出電流信號，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換，送給mcu#1處理，由液晶顯示電壓、電流、和功率出來。另一方面電壓信號經(jīng)另一a/d轉(zhuǎn)換輸出，送給mcu#2處理后在傳到mcu#3,和保護(hù)電路的信號一起控制mcu#3，mcu#3處理后產(chǎn)生pwm驅(qū)動信號，信號再次驅(qū)動dc-dc變換電路中的pc923，進(jìn)而驅(qū)動irfp250開通與關(guān)斷，tl494是由另一個 小型dc-dc變換電路來驅(qū)動值送給mcu#2進(jìn)行處理。2.2.4 tl494芯片 圖2.2.4 tl494內(nèi)部功能方框圖與基本單元電路 fig2.2.4 tl494 internal functional block diagram with the basic unit circuit 引腳說明1、2和16、15腳分別為兩個誤差放大器的同相向和反相輸入端，兩個誤差放大器可構(gòu)成電壓反饋調(diào)節(jié)器和電流反饋調(diào)節(jié)器，分別控制輸出電壓的穩(wěn)定和輸出過流的保護(hù)。3腳為兩個放大器公共輸出端，也稱補(bǔ)償端。8、11、12為電源端，7腳為地，14腳為參考電平，正常工作時，輸出標(biāo)準(zhǔn)的5v電壓。13腳為輸出方式控制端，當(dāng)該腳為高電平時，形成雙路輸出方式，若為低電平時，則為同步工作方式。工作方式輸出脈沖的寬度調(diào)制，是通過電容器c上的正極性鋸齒波電壓與其他兩個控制信號電壓進(jìn)行比較來實現(xiàn)的。激勵輸出管q1和q2的或非門工作狀態(tài)，是只有在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時鐘輸入為低電平時才選通，這種情形只有在鋸齒被電壓大于控制信號時出現(xiàn)。因此，控制信號幅度的增大，將相應(yīng)地使輸出脈沖的寬度線性減小?？刂菩盘栍蒳c外部輸入，一路選到死區(qū)時間比較器控制端，一路送到兩誤差放大器輸入端，又稱pwm比較器輸入端。死區(qū)時間控制比較器具有120mv有效輸入補(bǔ)償電壓，它限制最小輸出死區(qū)時間近似等于鋸齒波周期時間的4。在輸出控制接地時，將使最大占空系數(shù)為己知輸出的96；而在輸出接參考電平時，占空比則是給定輸出的48。tl494主要特征：集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）。內(nèi)置誤差放大器。內(nèi)止5v參考基準(zhǔn)電壓源?？烧{(diào)整死區(qū)時間。內(nèi)置功率晶體管可提供500ma的驅(qū)動能力2.2.5 系統(tǒng)論證 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制ic和mosfet構(gòu)成。本開關(guān)電源設(shè)計采用脈寬調(diào)制方式，由主回路和控制回路兩大部分組成，主環(huán)節(jié)是輸入濾波器、整流器、功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)、主開關(guān)管、高頻變壓器、低通濾波器、反饋電阻分壓器，電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器件tl494芯片。通過分壓器、比較放大器，形成電壓負(fù)反饋環(huán)節(jié)，是輸出電壓穩(wěn)定。本電源還擴(kuò)展了部分功能，采用avr單片機(jī)對輸出電壓、輸出電流進(jìn)行采集并在液晶屏顯示，并且對輸出電壓擴(kuò)展了鍵盤輸入控制和輸出電壓的步進(jìn)功能。 經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定電源各部分所實現(xiàn)功能如下：（1） 整流與濾波：根據(jù)br10-08整流橋和電容將輸入有效值18v的交流電轉(zhuǎn)換為直（2）dc-dc變換器：tl494芯片為核心進(jìn)行控制；（3） 控制方式：采用51單片機(jī)和液晶屏幕顯示，輸出電壓可進(jìn)行鍵盤輸入控制和步 進(jìn)控制 。 （4）過流保護(hù)：輸出電流超過電源指標(biāo)值時采用過流保護(hù)，電源輸入斷開，51單片機(jī)重啟。2.2.6 提高效率的方案及實現(xiàn)方案dc-dc變換器是由buck電路實現(xiàn)的。雖然它是硬開關(guān)，但它的電路簡單，最重要的是它的效率高。它的控制電路也很簡單。 dc-dc變換電路中采用了肖特基功率二極管,而不是普通的二極管。因為肖特基二極管較低的起始正向壓降也有利于改善低電壓功率變流器的工作頻率。而且肖特基二極管的工作頻率可以高達(dá)兆赫茲,特別適合于在高速開關(guān)電路中應(yīng)用。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，此時輸入電壓vin通過電感l(wèi)向負(fù)載傳遞能量，il增加，電感儲能增加。當(dāng)晶體管t截止時，由于電感電流il不能突變，故il通過二極管d導(dǎo)通續(xù)流，電感上的能量逐步消耗在電阻r上，il降低，l上的儲能減少。 該電路還采用了tip147功率達(dá)林頓三極管，這個管子的特性較好，它的電流大約10a，而且管飽和壓降小，為提高效率起到關(guān)鍵作用。3 電路設(shè)計及參數(shù)計算3.1 電源硬件電路的設(shè)計 開關(guān)電源由以下幾個部分組成： 一、主電路：完成從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括： 1、輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。 2、整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。 3、逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。 4、輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。 二、控制電路： 一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的資料，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。 三、檢測電路： 除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表資料。 a 主回路器件選擇及參數(shù)計算 dc-dc變換器是開關(guān)電源的主要組成部分，它是轉(zhuǎn)換的核心，涉及頻率變換。我們采用的是tl494芯片。tl494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：輸出脈沖的寬度是通過電容ct上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實現(xiàn)。功率輸出管q1和q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。b.效率的分析及計算 =輸出功率/輸入功率，要提高效率就要減少損耗，這樣就可以達(dá)到題中所要求的指標(biāo)。當(dāng)求解電路的優(yōu)化模型時，可先假設(shè)變壓器損耗pt=0。最優(yōu)解包括最優(yōu)設(shè)計變量及最小電路的總重量。同時也可以計算出開關(guān)電流峰值，電感電流有效值及導(dǎo)通比等，作為變壓器優(yōu)化設(shè)計模型，得到變壓器的最小重量及最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，并可計算出變壓器的功耗pt.3.2電源軟件設(shè)計 本電源的采用了stc80c51單片機(jī)對輸出電壓、輸出電流進(jìn)行采集并將其顯示于液晶屏，可以直觀的觀察到電源的工作狀態(tài)。電源還實現(xiàn)了監(jiān)控功能，可以利用鍵盤輸入直接在輸出端獲得期望電壓。而且利用單片機(jī)的控制，輸出端還具備了電壓步進(jìn)功能。當(dāng)電源輸出端輸出電流大于2.5a時，電源輸入端將斷電，stc80c51單片機(jī)復(fù)位重啟，電源輸出電壓預(yù)置為30v。電源恢復(fù)正常工作。 圖3.2 流程圖 fig3.2 flow chart3.3 主回路器件的選擇及參數(shù)計算電感的取值:220uh，vmos管的選擇與計算:本方案選擇的是irfp250功率場效應(yīng)管，因其承受電流應(yīng)大于(為電感電流的紋波,為平均電流,本方案取值為1a)，符合本方案的要求。證明如下：1a+1.5d=2.5airfp功率場效應(yīng)管能夠承受，因此被選用。3.4 控制電路設(shè)計及參數(shù)計算 圖3.4 控制電路原理圖 fig3.4 control circuit schematic本方案通過改變占空比d使pwm信號可調(diào)，增強(qiáng)輸出電壓調(diào)節(jié)靈敏度，參數(shù)計算如下： 變化范圍為，即42.4v59.4v。變化范圍為30v36v。得到d的可調(diào)范圍為50%85%。3.4 效率的分析及計算3.4.1 功率場效應(yīng)管irfp250開通損耗: 3.4.2 開關(guān)損耗: vmos管開啟時的損耗和關(guān)斷時的損耗,它們大小幾乎相同,則參數(shù)計算如下: w 3.5 保護(hù)電路設(shè)計及參數(shù)計算3.5.1 過流保護(hù)和過壓電路設(shè)計: 本方案采用tlc2543a/d轉(zhuǎn)換器對電壓電流進(jìn)行采樣，將采樣信號送給mcu1進(jìn)行處理，若出現(xiàn)電壓大于最大電壓值，即過壓或過流現(xiàn)象，則mcu#1會產(chǎn)生保護(hù)信號送給mcu#3，這時mcu#3不會產(chǎn)生pwm信號去驅(qū)動dc-dc變換電路，而是延時5秒鐘，在開始工作.單片機(jī)使用自帶看門狗,監(jiān)控電壓數(shù)值3.6 數(shù)字設(shè)定設(shè)計及顯示電路的設(shè)計:3.6.1 數(shù)字設(shè)定 圖3.6.1 數(shù)字設(shè)定框圖 fig3.6.1 diagram of figure3.6.2 電壓電流顯示設(shè)計: 圖3.6.2 電壓電流顯示設(shè)計原理圖 fig3.6.2 voltage and current show schematic design從dc-dc變換電路輸出端口處的取樣電阻得到電壓算出電流值，再由電位器取出電壓值，由此，使它們相成得到功率，送到雙路a/d轉(zhuǎn)換器tlc2543進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再送給單片機(jī)處理，控制lcd輸出顯示。4 串口液晶顯示芯片upd16682a簡介upd16682a是一個lcd控制器/驅(qū)動器，其中包括足夠的ram驅(qū)動器的能力，充分點(diǎn)lcd顯示器。每個 芯片可以驅(qū)動一個完整的點(diǎn)液晶顯示屏組成的多達(dá)132 x 65點(diǎn)。 該芯片適用于手機(jī)，日語或中文尋呼機(jī)，和其他裝置的顯示器 特征lcd控制器/驅(qū)動器，帶有片上顯示ram 能夠操作使用+3- v單電源供應(yīng)芯片助推器電路：開關(guān)的3倍和4倍之間的模式ram用于點(diǎn)顯示： 132 x 65位產(chǎn)出： 132個部分， 65個商品串行或8位并行數(shù)據(jù)輸入（可切換80至68系列處理器） 芯片電阻分壓器可選的偏置設(shè)置（可設(shè)置為1月9日或1 / 7的偏見） 芯片振蕩電路4.1 程序流程圖yynn上升鍵按下開始采集電壓下降鍵按下電壓值增電壓值降控制mcu2輸出固定占空比pwm波4. 2 系統(tǒng)的主電路圖 圖4.2 系統(tǒng)主電路圖 fig4.2 main circuit5 測試方法與數(shù)據(jù)5.1 測試儀器： dt9205數(shù)字萬用表、dt9806四位半數(shù)字萬用表、qs18a型萬能電橋、tds-2012b數(shù)字存儲示波器。5.2 測試方法及測量數(shù)據(jù) 使系統(tǒng)運(yùn)行,參照題目要求進(jìn)行多次實際定量測量,得到該系統(tǒng)的測量結(jié)果及指標(biāo)數(shù)據(jù)。5.2.1 dc-dc變換器效率測試 用四位半的數(shù)字電壓表測量輸入電壓uin,輸入電流iin,則pin=uin*iin,輸出電壓uout,輸入電流iout,輸出功率pout=uout*iout,則效率為pout/pin*100%，測試數(shù)據(jù)如下。 表5.2.1 測試數(shù)據(jù)表 table5.2.1 est data sheet輸入輸入電壓/v18.018.07518.018.06018.018.07018.018.05918.018.067輸入輸入電流/a3.663.663.693.693.733.733.793.793.583.58輸出輸出電壓/v32.332.30133.433.41134.534.50135.435.43036.236.224輸出輸出電流/a1.881.881.711.711.851.851.691.691.561.56效率效率%91.791.7985.785.7394.694.6887.487.4887.387.375.3 系統(tǒng)的測試 為了確保電源能達(dá)到題目要求的各項指標(biāo)并穩(wěn)定工作，我們對電源進(jìn)行了反復(fù)測試，并對其進(jìn)行了多次修改，從而保證了電源的完整性和智能性，最終測試數(shù)據(jù)如下： 1) 輸出電壓uo可調(diào)范圍：30v36v； 2) 輸出電流iomax：2a； 3) u2從15v變到21v時，電壓調(diào)整率su2%（io=2a）; 4) io從0變到2a時，負(fù)載調(diào)整率si4%（u2=18v）； 5) 輸出噪聲紋波電壓峰-峰值uopp100mv（u2=18v,uo=36v,io=2a）； 6）dc-dc變換器的效率70%（u2=18v,uo=36v,io=2a）； 7）排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)； 8）能對輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1v，同時具有輸出電壓、電流的測 測量和數(shù)字顯示功能（液晶屏顯示）。 表5.3 儀器設(shè)備如表 table5.3 equipment such as table序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量1uni-t數(shù)字萬用表12直流穩(wěn)定電源030v，02a23示波器ss782114直流穩(wěn)定電源030v，05a15交流變壓器0250v，02a16 測試結(jié)果分析6.1 輸出波形圖6.1 輸出波形圖fig6.1 output waveform of figureirfp250的開通輸出波形,出現(xiàn)尖峰電壓的原因:電路中導(dǎo)線的寄生電感引起的。6.2驅(qū)動波形圖6.2 驅(qū)動波形圖fig6.2 drive waveformirfp250的驅(qū)動信號波形，其輸入電壓為15v，且平穩(wěn)。7結(jié)論本設(shè)計制作完成了題目要求的基本部分和發(fā)揮部分，輸出電流達(dá)到了2a，輸出電壓的范圍為30v36v，而且具有上升，下降按鍵，步進(jìn)調(diào)制功能，實現(xiàn)了步進(jìn)1v。制作測量并顯示了輸出電壓，輸出電流，和功率的數(shù)值，測量誤差達(dá)到了題目的要求。 本設(shè)計各個部分協(xié)調(diào)有序的工作。系統(tǒng)有功率的測量和顯示的功能，還有rs 232串口，能夠通過上位機(jī)進(jìn)行通信。還采用了三塊單片機(jī)，緩解了一塊單片機(jī)的驅(qū)動壓力，使效率達(dá)到91%。系統(tǒng)使用了肖特基等元器件，減小測量誤差。 系統(tǒng)的紋波處理很難用buck處理，做不到題目更好的要求，有待于在以后的實踐中改進(jìn)。 參考文獻(xiàn)1 陳永真編著.電力電子學(xué)m.內(nèi)部講義。 2 李朝青編著.單片機(jī)原理及接口技術(shù)m.北京航天航空大學(xué)出版.3 nancy k，richard gpower mamagementicsmakepitch for growthjelectronics design，1999，（12）：32-34 4 于相旭，等三相單開關(guān)boost型功率因數(shù)校正器的設(shè)計j電力電子技 術(shù)，2001，35（1）：8-9. 5 程榮倉，等基于自主均流法模塊并聯(lián)的小信號分析j電力電子技術(shù)，2001，35（2）：36396 胡學(xué)芝開關(guān)電源的噪聲及抑制方法j機(jī)床電器,2002,(5):40-42.7 王京梅，等高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計j電子科技大學(xué)學(xué)報，2002，31（4）：362.8 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it0=1; it1=1; ea=1;while(1) v0=read2543(7); if(v0vol) p2_0=0; p2_1=1; else if(v0vol) p2_1=0; p2_0=1; void uprise(void) interru