智能穩(wěn)壓電源設計畢業(yè)設計

1、智能穩(wěn)壓電源設計摘 要本設計的開關電源由脈沖寬度調制器（pwm）和雙極型三極管構成，介紹了基于at89c51單片機的數(shù)字化控制的可調開關穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)以uc3842、lm2576為核心，其中固定輸出部分分別為5v、15v，可調部分由高性能單片機為控制核心，通過調節(jié)lm2576-adj端，實現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字化可調，輸入采用鍵盤方式，輸出電壓采用lcd顯示，實現(xiàn)指標紋波系數(shù)um5mu，穩(wěn)定度v0/ v01001，步進0.1，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、成本低、效率高、其性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的線性可調穩(wěn)壓電源，大大改善了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的性能，簡單易用，非常適合一般的教學和科研使用。關鍵詞: 開關電源；穩(wěn)壓；

2、51mcu；a/d；d/aabstractthe design of the switching power supply from the pulse width modulator (pwm) and bipolar transistor structure, introduced the at89c51 microcontroller based digital control of adjustable switching power supply, system uc3842, lm2576 as the core, some of which were fixed output 5

3、v, 15v, adjustable to control in part by high-performance microcontroller core, by adjusting the lm2576-adj-side, to achieve the digital output voltage adjustable, the input mode with the keyboard, the output voltage with lcd display, to achieve targets ripple factor um 5mu, stability v0 / v0 100% 1

4、%, step 0.1, the system has good stability, high accuracy, low cost, high efficiency, its performance is far superior to the traditional linear adjustable power supply, greatly improved the performance of traditional power supply, easy to use, suited for general use in teaching and research.keyword:

5、 switching power supply；regulators；51mcu；a/d；d/a目 錄摘 要iabstractii第一章 前言11.1 研究的目的和意義11.2 穩(wěn)壓電源的分類11.2.1 線性電源分類21.2.2 開關電源的分類21.3 穩(wěn)壓電源的主要指標31.3.1 特性指標31.3.2 技術指標41.4穩(wěn)壓電源的發(fā)展51.5 研究主要內(nèi)容7第二章 開關穩(wěn)壓電源的原理82.1 開關穩(wěn)壓電源的工作原理82.1.1開關式穩(wěn)壓電源的基本原理框圖82.1.2開關電源的控制方式82.2 開關電源常見電路92.3 開關電源器件122.3.1 開關晶體管122.3.2 pwm控制器13第

6、三章 智能穩(wěn)壓電源的硬件設計153.1 穩(wěn)壓電源方案論證153.2 系統(tǒng)工作原理153.3 整流濾波電路163.4 pwm控制電路173.4.1 pwm控制電路設計173.4.2 uc3842簡介193.5 穩(wěn)壓輸出電路213.5.1 穩(wěn)壓輸出電路設計213.5.2 lm2576開關穩(wěn)壓集成電路223.6 可調輸出電路233.6.1 可調輸出電路設計233.6.2 運算放大器lm358243.6.3 dac0832模塊電路253.7 mcu控制電路263.7.1 mcu控制電路設計263.7.2 at89c51簡介273.7.3鎖存器74ls573293.8 ad轉換電路293.8.1 ad轉

7、換電路設計293.8.2 ad轉換電路原理293.9 lcd液晶顯示電路303.9.1 lcd液晶顯示電路設計313.10 按鍵電路設計323.10.1 鍵盤原理323.10.2 鍵盤與單片機接口電路32第四章 系統(tǒng)軟件設計344.1 主體流程圖344.2 鍵盤掃描及鍵值顯示354.3 液晶初始化394.4 輸出采樣函數(shù)404.5 誤差調整414.6 延時函數(shù)42結束語43致 謝44參考文獻45附錄一 程序清單47附錄二 智能穩(wěn)壓電源電路設計圖55附錄三 智能開關電源使用說明書56第一章 前言1.1 研究的目的和意義電源是給所有電子設備電路系統(tǒng)提供能源的部件，是必不可少的。目前使用的穩(wěn)壓電源大

8、部分是線性電源，利用分立器件組成，其體積大，效率低，可靠性差，操作使用起來不方便，自我的保護功能不夠，因而發(fā)生故障的幾率高。隨著電子技術的飛速發(fā)展，各種電子、電器設備對穩(wěn)壓電源的性能要求日益提高，穩(wěn)壓電源不斷朝著小型化、高效率、低成本、高可靠性、低電磁干擾、模塊化和智能化方向發(fā)展，以單片機系統(tǒng)為核心而設計制造出來的新一代智能型穩(wěn)壓電源不但電路簡單，結構緊湊，價格低廉，性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數(shù)據(jù)進行各種計算，從而可排除和減少由于干擾信號和模擬電路引起的誤差，提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精度，降低了模擬電路的要求1。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管

9、開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（pwm）控制ic和mosfet構成。開關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上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間。1.2 穩(wěn)壓電源的分類目前穩(wěn)壓電源的分類方法繁多，按輸出電源的類型分有直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源；按穩(wěn)壓電路與負載的連接方式分有串聯(lián)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)穩(wěn)壓電源；按調整管的工作狀態(tài)分有線性穩(wěn)壓電源和開關穩(wěn)

10、壓電源；按電路類型分有簡單穩(wěn)壓電源和反饋型穩(wěn)壓電源對于品種繁多的穩(wěn)壓電源可以從不同角度去分。下面以線性電源和開關電源做介紹。1.2.1 線性電源分類線性電源一般可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，按穩(wěn)壓方式分，有參數(shù)穩(wěn)壓電源和反饋調整型電源。參數(shù)穩(wěn)壓電源電路簡單，主要是利用元件的非線性實現(xiàn)穩(wěn)壓。比如，一只電阻和一只穩(wěn)壓二極管即可構成參數(shù)穩(wěn)壓器。反饋調整型穩(wěn)壓電源具有負反饋閉環(huán)，是閉環(huán)自動調整系統(tǒng)，它的優(yōu)點是技術成熟，性能優(yōu)良、穩(wěn)定，設計簡單與制造。缺點是體積大，效率低2。1.2.2 開關電源的分類開關電源可分為ac/dc和dc/dc兩大類，dc/dc變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已技術

11、成熟，性能優(yōu)良、穩(wěn)定，并已得到用戶的認可，但是ac/dc的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以下闡述。1.dc/dc變換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。dc/dc變換類型是開關電源變換的基本類型，它通過控制開關通、斷時間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對開關波形進行微分平滑處理，從而更有效地調整脈沖的寬帶及頻率。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式，二是頻率調制方式。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uo小于輸入電壓ui，極性相同。（2

12、）boost電路升壓斬波器，其輸出平均電壓uo大于輸入電壓ui，極性相同。（3）buck-boost電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓uo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uo 大于或小于輸入電壓ui,極性相反，電容傳輸。當今軟開關技術使得dc/dc發(fā)生了質的飛躍，美國vicor公司設計制造的多種eci軟開關dc/dc變換器，其最大輸出功率有300w、600w、800w等，相應的功率密度為（6、2、10、17）w/cm3，效率為（80-90）%。日本nemiclambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊rm系列，其開

13、關頻率為（200-300）khz，功率密度已達到27 w/cm3，采用同步整流器（mos-fet代替肖特基二極管），是整個電路效率提高到90%左右3。2.ac/dc變換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載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“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，同時因遇到安全標準（如ul、ccee等）及emc指令的限制（如iec、fcc、csa），交流輸入側必須加emc濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制ac/dc電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)

14、部的高頻、高壓、大電流開關動作，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計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了ac/dc變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。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)可分為單項、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。1.3 穩(wěn)壓電源的主要指標直流穩(wěn)壓電源的指標有兩類：一類是特性指標；另一類是技術指標或質量指標2。1.3.1 特性指標（1）最大輸出電流：它主要取決于主調整管的最大允許消散功率和最

15、大允許工作電流。（2）輸出電壓和電壓調節(jié)范圍按照負載的要求來決定。（3）效率穩(wěn)壓電源本身就是個變換器，在能量轉換時有能量損耗，這就存在轉換效率問題。（4）保護特性在穩(wěn)壓電源中，當負載出現(xiàn)過載或短路時，會使調整管損壞，因此，電源中須有快速響應的過流、短路保護電路。1.3.2 技術指標電壓調整率（su）：當市電電網(wǎng)變化時（10的變化時在規(guī)定允許范圍內(nèi)），輸出直流電壓也相應變化。而穩(wěn)壓電源就應盡量減小這種變化。電壓穩(wěn)定度表征電源對市電電網(wǎng)變化的抑制能力。表征電源對市電電網(wǎng)變化的控制能力也用電壓調整率su表示。其電壓調整率su的定義：當電網(wǎng)變化10時輸出電壓相對變化量得百分比。 (1-1)式 (1-1

16、)中su值越小，表示穩(wěn)壓性能越好。(2)內(nèi)阻（rn）：當負載電流變化時，電源的輸出電壓也會發(fā)生變化，變化數(shù)值越小越好。內(nèi)阻正是表征電源對負載電流變化的抑制能力。電源內(nèi)阻rn的定義：當市電電網(wǎng)電壓不變化情況下，電源輸出電壓變化量uo與輸出電流變化量io之比，即 （1-2）顯然，rn越小，抑制能力越強。（3）電流調整率（si） 電流調整率是指輸入電壓ui恒定的情況下，負載電流il從零變到最大時，輸出電壓uo的相對變化量的百分數(shù)，即 （1-3）從（1-3）可以看出，si越小，說明電流的調整率越好。（4）紋波系數(shù)（so） 電源輸出電壓中，存在著紋波電壓，它是輸出電壓中包含的交流分量。如果紋波電壓太大，

17、對音響設備可能產(chǎn)生雜音，對電視就可能產(chǎn)生圖像扭動、滾動干擾等。輸出電壓中的交流分量的大小，常用紋波系數(shù)so表示，即 （1-4）式中umn輸出電壓中交流分量基波最大值；uo輸出電壓中的直流分量。由式（1-4）可知，so越小說明紋波干擾越小。（5）溫度系數(shù) 溫度系數(shù)是用來表示輸出電壓溫度的穩(wěn)定性。在輸入電壓ui和輸出電流io不變的情況下，由于環(huán)境溫度t變化引起輸出電壓uo的漂移量uo，稱為溫度系數(shù)st，即 （1-5）越小，說明電源輸出電壓隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移量越小，電源工作就越穩(wěn)定。1.4穩(wěn)壓電源的發(fā)展隨著電子技術的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，電子設備與人們

18、的工作、生活的關系日益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電子設備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。 傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點。但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導致調整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45左右4。另外，由于調整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調整管并裝

19、有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設備發(fā)展的要求。20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，為搭載火箭開發(fā)了開關電源。在近半個多世紀的發(fā)展過程中，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)技術制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應用于電子整機與設備中。20世紀80年代，計算機全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代。20世紀90年代，開關電源在電子、電器設備、家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發(fā)展期。 開關型穩(wěn)壓電源采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關的占空比調整輸出電壓。以功率晶體管（gtr）為例，當開關管飽和導通時，集電極和發(fā)射極兩

20、端的壓降接近零；當開關管截止時，其集電極電流為零。所以其功耗小，效率可高達7095。而功耗小，散熱器也隨之減小。開關型穩(wěn)壓電源直接對電網(wǎng)電壓進行整流、濾波、調整，然后由開關調整管進行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開關工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開關電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點。另外，由于功耗小，機內(nèi)溫升低，提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對電網(wǎng)的適應能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍22010，而開關型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在110260伏范圍內(nèi)變化時，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。開關電源的高頻化是電源技術發(fā)展的創(chuàng)新技術，高頻化帶來的效益是使開關電源裝置空前

21、地小型化，并使開關電源進入更廣泛的領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有深遠的意義。目前市場上開關電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關頻率可達幾十千赫；采用mosfet的開關電源轉換頻率可達幾百千赫。為提高開關頻率，必須采用高速開關器件。對于兆赫以上開關頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關方式。它可以極大地提高開關速度，理論上開關損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關電源工作頻率的一種方式。1.5 研究主要內(nèi)容設計一個具有設置功能、步進功能和顯示功能的開關穩(wěn)壓電源，其指標為：輸出電壓：5v 15v輸

22、出電流：io2a紋波系數(shù)：vm5mv穩(wěn)定度：vo/vo1001任意可預置輸出，步進0.1 v第二章 開關穩(wěn)壓電源的原理2.1 開關穩(wěn)壓電源的工作原理2.1.1開關式穩(wěn)壓電源的基本原理框圖交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。開關電源的調整管工作在飽和和截止區(qū)?？刂齐娐窞橐幻}沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的

23、目的。開關式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖2-1所示：圖2-1 開關電源基本電路框圖2.1.2開關電源的控制方式開關式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩(wěn)壓電源5。圖2-2調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓?？捎晒接嬎悖磚o=umt1/t式中um為矩形脈沖最大電壓值；t為矩形脈沖周期；t1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當um 與t不變時，直流平均電壓uo將與脈

24、沖寬度t1成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。2.2 開關電源常見電路1降壓（串聯(lián)）式開關電源降壓式開關電源的典型電路如圖2-3所示。當開關管vt1 導通時，二極管vd1 截止，輸人的整流電壓經(jīng)vt1和l向充電，這一電流使電感中的儲能增加。當開關管vt1截止時，電感感應出左負右正的電壓，經(jīng)負載rl和續(xù)流二極管vd1釋放電感中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在vt1基極上的脈沖寬度確定6。圖2-3 降壓式開關電源這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實現(xiàn)。 2升壓（

25、并聯(lián)）式開關電源 升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如圖2-4所示。當開關管 vt1 導通時，電感儲存能量。當開關管vt1 截止時，電感感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管vd1向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關電源。圖2-4 升壓式開關電源3自激式開關穩(wěn)壓電源自激式開關穩(wěn)壓電源的典型電路如2-5所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。圖2-5自激式開關電源當接入電源后在r1給開關管vt1提供啟動電流，使vt1開始導通，其集電極電流ic在l1中線性增長，在l2 中感應出使vt1 基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使vt1 很快飽和。

26、與此同時，感應電壓給c1充電，隨著c1充電電壓的增高，vt1基極電位逐漸變低，致使vt1退出飽和區(qū)，ic 開始減小，在l2 中感應出使vt1 基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使vt1 迅速截止，這時二極管vd1導通，高頻變壓器初級繞組中的儲能釋放給負載。在vt1截止時，l2中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)r1給c1反向充電，逐漸提高vt1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源那樣，由變壓器的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，

27、具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。4推挽式開關電源推挽式開關電源的典型電路如圖2-6所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側。電路使用兩個開關管vt1和vt2，兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。圖2-6 推挽式開關電源 這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅動，主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100-500范圍內(nèi)。5反轉式開關電源 反轉式開關電源的典型電路如圖2-7所示。這種電路又稱為升降壓式開關電源。無論開關管

28、vt1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。圖2-7 反轉式開關電源當開關管vt1導通時，電感l(wèi) 儲存能量，二極管vd1 截止，負載rl靠電容c上次的充電電荷供電。當開關管vt1截止時，電感中的電流繼續(xù)流通，并感應出上負下正的電壓，經(jīng)二極管vd1向負載供電，同時給電容充電。2.3 開關電源器件2.3.1 開關晶體管開關晶體管內(nèi)部含有兩個pn結，外部通常為三個引出電極的半導體器件。它對電信號有放大和開關等作用，應用十分廣泛。輸入級和輸出級都采用晶體管的邏輯電路，叫做晶體管-晶體管邏輯電路，書刊和實用中都簡稱為ttl電路，它屬于半導體集成電路的一種，其中用得最普遍的是tt

29、l與非門。ttl與非門是將若干個晶體管和電阻元件組成的電路系統(tǒng)集中制造在一塊很小的硅片上，封裝成一個獨立的元件。半導體三極管是電路中應用最廣泛的器件之一，在電路中用“v”或“vt”（舊文字符號為“q”、“gb”等）表示。 半導體三極管主要分為兩大類：雙極性晶體管（bjt）和場效應晶體管（fet）。晶體管有三個極；雙極性晶體管的三個極，分別由n型跟p型組成發(fā)射極（emitter）、基極 (base) 和集電極（collector）；場效應晶體管的三個極，分別是源極（source）、柵極（gate）和漏極（drain）。晶體管因為有三種極性，所以也有三種的使用方式，分別是發(fā)射極接地（又稱共射放大、

30、ce組態(tài)）、基極接地、集電極接地。最常用的用途應該是屬于訊號放大這一方面，其次是阻抗匹配、訊號轉換等，晶體管在電路中是個很重要的組件，許多精密的組件主要都是由晶體管制成的。 三極管的導通，三極管處于放大狀態(tài)還是開關狀態(tài)要看給三極管基極加的直流偏置，隨這個電流變化，三極管工作狀態(tài)由截止-線性區(qū)-飽和狀態(tài)變化而變， 如果三極管ib（直流偏置點）一定時，三極管工作在線性區(qū)，此時ic電流的變化只隨著ib的交流信號變化，ib繼續(xù)升高，三極管進入飽和狀態(tài)，此時三極管的ic不再變化，三極管將工作在開關狀態(tài)。2.3.2 pwm控制器1.pwm控制器發(fā)展20多年來，集成開關電源沿著集成化方向發(fā)展，首先是對開關電

31、源的核心單元控制電路實現(xiàn)集成化。1977年國外首先研制成脈寬調制（pwm）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相繼推出一批pwm芯片，典型產(chǎn)品有mc3520,sg3524,芯片。90年代以來，國外又研制出開關頻率達1mhz的高速pwm、pfm90（脈沖頻率調制）芯片，典型產(chǎn)品有uc1825、uc1864。一般時間控制法有三種，即脈沖寬度控制（調寬pwm）、脈沖頻率控制（pfm）和混合式控制（調頻調寬）。用的比較多的還是pwm, 近幾年變頻調速技術獲得不斷的進步和發(fā)展特別是在家用電器行業(yè)方面的應用。低廉、節(jié)能、高效、靜音以及高可靠性的變頻產(chǎn)品成為趨勢，各種新型的pwm控制芯

32、片不斷涌現(xiàn)。數(shù)字化的pwm控制芯片相對模擬pwm控制芯片(如tl494,sg3525,uc3844等)，因其抗干擾、抗溫漂等方面的優(yōu)點成為主流產(chǎn)品7。2.pwm與微處理技術典型pwm調速控制芯片特點隨著微處理器技術的發(fā)展，其與pwm技術相結合，形成了各類特色的控制方案，主要可分為以下幾類：(1)采用單一的通用微處理器(單片機)來產(chǎn)生spwm。該方案只須采用單個芯片，功能強、靈活、易于保密，但所有的pwm信號的產(chǎn)生均需占用cpu大量的工作時間，軟件開發(fā)周期長，通用性差，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。(2)采用專用大規(guī)模集成電路產(chǎn)生spwm信號。如mullard公司的hef4752,無須微處理器配合，屬于

33、純硬件實現(xiàn)方法，使用簡單，省去編寫軟件的麻煩，開發(fā)周期短，但欠靈活性，難以實現(xiàn)更多的功能。(3)采用微處理器和專用大規(guī)模集成電路相結合的方式，可以兼具靈活、簡單、易于開發(fā)、功能勿、一展的特點，如siemens公司的sel4520,mitel公司的sa4828等，但成本較高。(4)采用專用調速控制芯片。此類芯片內(nèi)部集成有pwm發(fā)生器、a/d轉換器、eprom/eeprom或快速可擦寫存儲器flashmemory等適用于電動淚l調速的外圍硬件設備，大大減少cpu的十預時間，保證cpu可以實現(xiàn)更多復雜的控制功能。這類芯片很多，如東芝公司的八位單片機tmp88ck49/cm49,motorola公司的

34、八位單片機mc68hc708mp16,intel公司的16位微處理器8xc196mc。特別是高速運算能力dsp核的嵌入常見的如ti公司的tm5320f24x系列、ad公司的admcf32x系列，使得此類芯片完全可以實現(xiàn)高性能的控制算法，如磁場定向控制、無速度傳感器矢量控制等8。第三章 智能穩(wěn)壓電源的硬件設計3.1 穩(wěn)壓電源方案論證方案一：采用線性電源做為主電路，技術成熟，性能優(yōu)良、穩(wěn)定設計與制造簡單，輸出紋波電壓低，電磁干擾低。但內(nèi)部功耗大，轉換效率低，一般只有45；體積大，重量重，不便于微型化和小型化；必須具有較大的輸入和輸出濾波電容；輸出電壓動態(tài)范圍小，線性調整率低；輸出電壓不能高于輸入電

35、壓9。方案二：采用開關電源作為主電路，效率高，體積小，能夠處理較高的電源密度，拓撲學結構可用于傳遞單個或多個輸出電壓。經(jīng)過比較篩選和論文要求參數(shù)指標，本設計采用開關電源做為智能穩(wěn)壓電源的主電路。3.2 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理: 220v交流電壓經(jīng)過整流，濾波后輸出310v直流電壓，通過在控制極（可控硅）上加上pwm脈沖信號來完成功率極的飽和和截止，通過開關變壓器傳到次級，再通過變壓比將電壓降低為一個-18v/+18v的工作電壓供各個電路工作。振蕩脈沖的負半周到來，電源調整管的基極或可控硅的控制極電壓低于原來的設置電壓，電源調整管截止，310v電源被關斷，開關變壓器次級沒電壓，這時各電路所需的

36、工作電壓就靠次級電路整流后的濾波電容放電來維持。接著通過濾波穩(wěn)壓電路分別得到-15v/+15v和-5v/+5v兩組固定輸出電壓，可調輸出電路是通過鍵盤輸入，經(jīng)過單片機進行數(shù)據(jù)處理后控制da轉換器輸出對應的電壓信號，因為lm2576-adj輸出vo=（1+vadj）*1.23。將此電壓加在lm2576可調端便可實現(xiàn)可調輸出。由于本系統(tǒng)da變換電路用的是電流型da芯片,所以需要經(jīng)過lm358進行i-v變換。系統(tǒng)工作結構框圖如圖3-1所示：220v輸入整流濾波pwm調制過流保護功率推動電路(mosfet)開關變壓器濾波穩(wěn)壓5v/15v固定輸出電壓調整可調輸出輸出檢測單片機鍵盤輸入顯示可調輸出部分圖3

37、-1智能穩(wěn)壓電源系統(tǒng)原理圖本智能穩(wěn)壓電源系統(tǒng)主要由at89c51單片機、整流濾波電路、pwm控制電路、穩(wěn)壓輸出電路、可調輸出電路、鍵盤輸入電路和顯示電路等部分組成。3.3 整流濾波電路整流就是把交流電變成脈動的直流電的過程，整流的基本器件是二極管，利用二極管的單向導電性即可把交流電轉換成脈動的直流電，橋式整流電路如圖3-2所示。圖3-2橋式整流電路濾波是為了降低輸出電壓的脈動分量，得到較為平滑的直流電源，常有的濾波電路有電容濾波、rc（lc）型的濾波形式。電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓uc=q/c。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取

38、決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量，經(jīng)過濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高。3.4 pwm控制電路3.4.1 pwm控制電路設計本設計pwm控制電路主要由uc3842和一些基本元件組成，220v交流電壓經(jīng)過上述橋式整流電路整流，濾波后輸出310v直流電壓，經(jīng)過uc3842調整及穩(wěn)壓濾波后得到一個穩(wěn)定的-18v/+18v的工作電壓。電路圖如3-3所示：圖3-3 pwm控制電路圖從圖3-3可以看出，反饋采樣電壓不是取自輸出電壓，而是取自變壓器t原邊側的vcc,vcc的波動直接反應了電感電流的變化，所以有較快的響應速度

39、。vcc的波動通過r413，r409和r403組成的分壓電路，輸送到e/a誤差放大器反相輸入端，調整輸出脈沖寬度。所以，這個電壓控制環(huán)可以獲得較高的電壓調整率。電壓調整率可達到10-4 量級。同樣，負載的變化帶來電感電流的變化，誤差放大器也起到改善負載調整率的作用5。當開關管v出現(xiàn)過電流時，電阻r404上測得的過電流信號，輸送到電流測定比較器的同相輸入端，只要r404的電壓達到1v，電流測定比較器動作，通過pwm鎖存器使開關管關斷，實現(xiàn)過流保護功能。當vin低于16v時，整個電路耗電緊1ma,即電路的啟動電壓為16v，啟動電流為1ma，此時，處于待機狀態(tài)。而電路的關斷閥值為10v。啟動電壓和關

40、斷閥值電壓相差6v，是為了防止電路在閥值電壓附近工作時，反復出現(xiàn)啟動/關斷的跳動。當電路一旦恢復正常工作，由輔助繞組進行對uc3842的供電。芯片正常工作時的電流為11ma15ma。振蕩器的振蕩頻率由引腳8和引腳4之間的電阻器r402，引腳4到地的電容器c404來決定。引腳8在芯片內(nèi)部接在電壓基準的5v電壓上，5v電壓要通過r402對c404充電。fosc約為40khz。當uc3842用來驅動功率mos管時，開關頻率可高達500khz，一般用在250khz左右，開關穩(wěn)壓電源工作更穩(wěn)定。電阻器r413和電容器c411構成軟啟動電路，當c411上的充電電壓達到啟動電壓時，電路啟動，啟動電流緊為1m

41、a。輸出級為圖騰柱式輸出電路，輸出晶體管的平均電流為200ma，最大可以輸出1a的峰值電流。若要使輸出關斷，可以將引腳3上的電壓升到1v以上，通過電流測定比較器將輸出關斷?；蛘邔⒁_1上的電壓降到1v以下，實現(xiàn)輸出關斷。以上兩種關斷輸出的方法都是使電流測定比較器輸出高電平，pwm鎖存器復位，關斷輸出端直到下一個周期的時鐘脈沖將pwm鎖存器重新置位。所以，實現(xiàn)了逐個脈沖的電流限制。3.4.2 uc3842簡介為了精確控制開關電路的電壓輸出，系統(tǒng)采用脈寬調制的控制方式調節(jié)開關管的工作狀態(tài)。脈寬調制產(chǎn)生電路通過uc3842 和外圍電路實現(xiàn)。通過采樣反饋電路改變開關占空比，來控制開關管的導通與關閉的脈

42、寬，從而使輸出電壓穩(wěn)定10。pwm控制器采用 uc3842集成電路，uc3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制器。假如由于某種原因使輸出電壓升高時，脈寬調制器就會改變驅動信號的脈沖寬度，亦即占空比d，使斬波后的平均值電壓下降，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。uc3842可以直接驅動mos管、igbt等，適合于制2080w小功率開關電源。由于器件設計巧妙，由主電源電壓直接啟動，構成電路所需元件少，非常符合電路設計中“簡潔至上”的原則。pwm 電路控制功率推動電路，進而驅動開關變壓器進行電壓轉換，轉換后的電壓經(jīng)電壓反饋電路矯正得到穩(wěn)定的輸出電壓；電壓取樣電路將采集的電壓信息送至單片機，從而顯示當前

43、電壓值。采用pwm控制的優(yōu)點是: 簡化了硬件電路,降低了硬件成本; 在pwm 控制過程中, 單片機可實時檢測adc 端口上電流的大小, 并根據(jù)電流大小與設定值進行比較, 以決定pwm占空比的調整方向， 單片機利用adc 的端口和pwm的寄存器可以任意設定電流的大小。uc3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式，共有8 個引腳，引腳圖如圖3-4：圖3-4 uc3842引腳圖uc3842內(nèi)部主要包括：5v 基準電壓源、振蕩器、誤差放大器、過流檢測電壓比較器、pwm鎖存器、輸入欠壓鎖定電路。具有8腳封裝的uc3842芯片各引腳功能如下：腳1 為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補償；腳2是誤差放大器的反

44、相輸入，通常通過一個電阻分壓器連至開關電源輸出，起電壓反饋作用；腳3為電流取樣引腳，脈寬調制器使用此信息終止輸出開關的導通，保護開關管不致過流損壞；腳4用于定時，通過時間電阻rt連接至參考輸出引腳8以及時間電容ct連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調，振蕩頻率為f=1.8/（rt ct），工作頻率可達500khz；腳5 是控制電路和電源的公共地；腳6 是輸出驅動開關管的方波引腳，為圖騰柱式輸出，可直接驅動功率管mosfet的柵極；腳7是控制集成電路的正電源（vcc）；腳8是參考輸出引腳，它通過電阻rt向電容ct提供充電電流。uc3842還包括過壓、欠壓保護電路，當供電電源電壓低于10v時

45、，芯片停止工作。3.5 穩(wěn)壓輸出電路3.5.1 穩(wěn)壓輸出電路設計根據(jù)論文要求需要得到兩組固定輸出分別為15v/+15v和-5v/+5v，由于兩組輸出原理完全相同，在這里只介紹15v/+15v。該電路是通過pwm控制電路產(chǎn)生的-18v/+18v傳送給兩片lm2576開關穩(wěn)壓集成電路從而達到穩(wěn)壓的目的，輸出兩組穩(wěn)定電壓。電路圖如3-5所示：圖3-5 穩(wěn)壓輸出電路圖從電路圖3-5可以看出，該電路輸入電容c201、c202一般應大于100uf,安裝時要求盡量靠近lm2576輸入引腳，其耐壓值應與最大輸入電壓匹配。此處選用耐壓值為25v/100uf或35v/100uf的極性電解電容。輸出電容c203、c

46、204輸出電容值根據(jù)：c13300vin/voutl計算。vin為最大輸入電壓，vout是lm2576的輸出電壓。l是經(jīng)計算并查表選出的電感l(wèi)2o1、l202的值，輸出電容選擇25v/100uf極性電解電容。二級管d201、d202的額定電流值應大于負載電流的1.2倍，考慮到負載短路的情況，二級管的額定電流值應大于lm2576的最大電流限制，二極管反向電壓應大于最大輸入電壓1.25倍，所以此處選用sb540。本設計的穩(wěn)壓輸出電路選用的是lm2576實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，由lm2576特性可知，lm2576有3.3v、5v、12v、15v四種固定輸出可選擇，輸出電流為3a，因此可直接滿足論文輸出電壓和輸

47、出電流指標；紋波系數(shù)大小主要是由輸出電容c203、c204和lm2576決定，輸出電容越大，紋波系數(shù)就越小，本設計把輸出電容值選擇為1000uf，那么紋波就會小于5mv；輸出電壓穩(wěn)定度通過試驗得知空載時輸出電壓分別為5v、15v，滿載時輸出電壓分別為5v、15v，穩(wěn)定度小于1，所以都滿足論文指標。3.5.2 lm2576開關穩(wěn)壓集成電路1.lm2576的特性:(1)有3.3v、5v、12v、15v和可調電壓輸出多種系列11；（2）輸出電壓可調范圍1.23v37v (hv型號的可達57v)，負載電壓的輸出容差最大為4；（3）最少只需要4個外圍組件，3a的輸出大電流應用電路（4）較寛的輸入電壓范圍

48、，hv型號甚至可達40v60v；（5）內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生52khz固定頻率；（6）可用ttl電平關閉輸出，低功耗待機模式，典型待機電流為50a；（7）buck式降壓器，較高的轉換效率；（8）過熱和過流保護；（9）可實現(xiàn)buck-boost式正-負電壓轉換器。2.lm2576引腳功能說明:（1）n輸入電壓端，為減小輸入瞬間電壓和給調節(jié)器提供開關電流，此接腳應接旁路電容cin；（2）put穩(wěn)壓輸出端，輸出高電壓為（vinvsat），輸出低電壓為-0.5v。（3）sd電路地；（4）feedback反饋端；電子（5）on/off控制端，高電平有效，待機靜態(tài)電流僅為75a3.6 可調輸出電路3.6.1 可調

49、輸出電路設計本設計的可調范圍在-5v到+5v，電路主要由運算放大器lm358和lm2576開關穩(wěn)壓集成電路組成。電路圖如3-6所示:圖3-6 可調輸出電路本設計歩進要求0.1，只需要100個點就可滿足-5v到5v的可調，而dac0832有256個點完全滿足設計要求；可預置輸出可通過鍵盤直接輸入，由圖3-6可看出，當用戶從鍵盤輸入需要設定的電壓值后，由單片機at89c51輸出并控制dac0832進行da轉換。由于dac0832是電流型da芯片，所以需要對其進行iv變換，此電路中iv變換通過lm358實現(xiàn)，然后將其相應輸出電壓加至lm2576-adj的可調端（4腳），變可得到相應輸出電壓。ad轉換

50、中可能出現(xiàn)誤差，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，該部分電路采用閉環(huán)控制方式，對輸出進行實時監(jiān)測。3.6.2 運算放大器lm358lm358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益 模組,音頻放大器、工業(yè)控制、dc增益部件和其他所可用單電源供電的使用運算放大器的場合12。lm358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。其引腳圖引腳功能如圖3-7所示：圖3-7 lm258引腳圖引腳功能圖lm358主要特性(features)如下： l 內(nèi)部頻率補償

51、。 l 直流電壓增益高(約100db)。 l 單位增益頻帶寬(約1mhz)。 l 電源電壓范圍寬：單電源(330v)；雙電源(1.5一15v)。 l 低功耗電流，適合于電池供電。 l 低輸入偏流。 l 低輸入失調電壓和失調電流。 l 共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 l 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。 l 輸出電壓擺幅大（0至vcc-1.5v) 。 主要參數(shù)如下：l 輸入偏置電流45 nal 輸入失調電流50 nal 輸入失調電壓2.9mvl 輸入共模電壓最大值vcc1.5 vl 共模抑制比80dbl 電源抑制比100db3.6.3 dac0832模塊電路d/a轉化器的作用是將數(shù)字量轉化

52、成模擬信號，經(jīng)放大及驅動加到執(zhí)行機構上，對被控制對象實施控制。直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉換采用通用芯片dac0832。dac0832的原理框圖如圖3-8所示。dac0832主要由8位輸入寄存器、8位dac寄存器、8位d/a轉換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位dac寄存器用于存放待轉換的數(shù)字量，由加以控制；8位d/a轉換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)13。圖3-8 dac0832原理框圖當wr2和xfer同時有效時，8位dac寄存器端為高電平“1”，此時

53、dac寄存器的輸出端q跟隨輸入端d也就是輸入寄存器q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位dac寄存器中，以便第三級8位dac轉換器進行d/a轉換9。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級8位dac寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。3.7 mcu控制電路3.7.1 mcu控制電路設計主要由at89c51和鎖存器74ls573組成，其中p0口作為液晶顯示器lcd1602的數(shù)據(jù)口，p1口作為ad0801及dac0832的數(shù)據(jù)口，

54、此時p1口采用分時復用技術。當進行da轉換時，將數(shù)據(jù)輸入74ls573，并將其鎖存，以保證ad轉換輸出不影響da轉換。mcu的p2口作為液晶ad0801和74ls573的控制端口，p3口作為用戶鍵盤輸入端口。電路圖如3-9所示3-9 mcu控制電路圖3.7.2 at89c51簡介at89c51是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機12。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高

55、密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at8920c51是他的精簡版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案此外，at89c51有pdip、pqfp/tqfp及plcc等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。at89c51引腳圖如圖3-10所示:圖3-10 at89c51引腳圖at89c51主要性能參數(shù)：l 與mcs-51兼容 l 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器l 壽命：1000寫/擦循環(huán) l 數(shù)據(jù)保留時間：10年 l 全靜態(tài)工作：0hz-24mhz l

56、 三級程序存儲器鎖定 l 1288位內(nèi)部ram l 32可編程i/o線 l 兩個16位定時器/計數(shù)器 l 5個中斷源 l 可編程串行通道 l 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 3.7.3鎖存器74ls573原理：74ls573 的八個鎖存器都是透明的d 型鎖存器，當使能（g）為高時，q 輸出將隨數(shù)據(jù)（d）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當輸出被關閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入13。3.8 ad轉換電路3.8.1 ad轉換電路設計ad 轉換轉換由于采用的是8位并行ad轉換芯片ad0801，所以只需將其數(shù)據(jù)口與mcu的p1口進行連接即可。控制端分別連接單片機p2.4、p2.5，其接口電路如圖3-11所示圖3-11 ad轉換電路圖3.8.2 ad轉換電路原理在我們所測控的信號中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計算機對這些信號進行處理，則需要將其轉換成數(shù)字量，a/d轉換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉換成計算機能接受的數(shù)字量。根據(jù)a/d轉換器的工作原理，常用的a/d轉換器可分為兩種，雙積分式a/d轉換器和逐次逼近式a/d轉換器。1. 雙積分a/d轉換器工作原理雙積分a/d轉換器采用間接測量的方法，它將被測電壓轉換成時間常數(shù)t，雙積