開關(guān)電源畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘 要目前開關(guān)電源的使用對(duì)象涵蓋了包括空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、儀器儀表、 汽車電子、 照明電器及家用電器等領(lǐng)域, 幾乎可以說是只要有電子產(chǎn)品的地方就 有開關(guān)電源的用武之地。 開關(guān)電源的誕生歷史雖然短暫, 但是開關(guān)電源技術(shù)的發(fā) 但是開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展卻是日新月異。本課題以 A VR128為控制核心,設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)能輸出 5V 和 15V 的串 聯(lián)型它激式調(diào)壓穩(wěn)壓措施為調(diào)寬式的開關(guān)電源。 本系統(tǒng)由輔助電源模塊、 整流濾 波模塊、 DC/DC模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、保護(hù)模塊和采樣模塊組成。輔助電源模塊主 要是給單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)模塊, 采樣模塊和保護(hù)模塊中的芯片供電用; 整流濾波模 塊中采用橋式不可控整流和無

2、源 LC 濾波器; DC/DC模塊是用于實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn) 換,該模塊中采用的是 Buck 電路,電路結(jié)構(gòu)簡單;驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng) DC/DC模塊中的開關(guān)管,該模塊中主要運(yùn)用了開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110,用集成芯片 IR2110去驅(qū)動(dòng)開關(guān)管比用模擬電路搭建的驅(qū)動(dòng)電路更可靠。該系統(tǒng)工作效率較高、 能自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓、 還能在輸出過壓或者過流的時(shí) 候自動(dòng)保護(hù)。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源,整流濾波,驅(qū)動(dòng),采樣,保護(hù)模塊AbstractAt present, the use of switch power supply object covered including space technology, comput

3、er, communication, instruments and meters, automobile electronics, electrical lighting and household appliances, etc. As long as there are electronic products, there have switch power supply animations. Though the birth of switch power supplys history is short, the development of the technology is c

4、hanging.This topic to AVR128 as control core, designed and produced a swith power supply that can output 5 V to15 V type of series of voltage regulating measures of it for the wide type of it. The systhem mposed of auxiliary power supply moudle tifier filter modules, DC/DC module, driver module, pro

5、tect module and sampling module. Auxiliary power supply module mainly supply power for single-chip microcomputer and driving module, sampling module and protect module . Rectifier filter modules using bridge type not controlled rectifying and passive LC filters. DC/DC module is used to realize the t

6、ransformation of the voltage.The module use Buck circuits with its circuit structure simple. Driver modules used to drive the swith tube of DC/DC module. This module mainly utilized switch tube IR2110 drive chip. And with integrated chips IR2110 to drive than analog switch tube with setting up the d

7、riving circuit is more reliable.The system can automatically high work efficiency, stable output voltage, still can be protect itself when it output press or flow automatic.Key words: switching power supply, rectifier filtering, drive, sampling, protect module目 錄摘 要 . I Abstract . . II 1 緒言1.1課題背景 .

8、 2 1.2選題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及水平、研究目標(biāo)及意義 . 21.3本課題主要的研究內(nèi)容 . 32 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與論證3 硬件電路設(shè)計(jì)3.6保護(hù)電路的設(shè)計(jì) . 204 軟件部分設(shè)計(jì)4.1 AVR128簡介 . 21 4.2 PWM波的產(chǎn)生 . 224.3 AD采樣 . 255系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析6 總結(jié)與展望6.1 總結(jié) . 30 6.2 展望 . 30致 謝 . 31參考文獻(xiàn) . 32附 錄 . 341 緒言開關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn),應(yīng)用越來越廣泛,從 70年 代開始, 并用輕量高頻變壓器替代笨重的工頻變壓器。 高效的開關(guān)電源飛速發(fā)展, 逐步替代傳統(tǒng)的的線性電源,開關(guān)電源不需要

9、較大的散熱器,開關(guān)電源自 20世 紀(jì) 90年代問世以來, 便顯示出強(qiáng)大的生命力, 并以其優(yōu)良特性倍受人們的青睞。 近年來,開關(guān)電源在通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空、儀表儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣 泛。隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展,開關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著小型化、高頻化、模塊化的 方向發(fā)展, 高效率的開關(guān)電源已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。 隨著高頻開關(guān)電源技 術(shù)和應(yīng)用電子技術(shù)的高速發(fā)展, 直流高頻開關(guān)電源依靠它的高精度、 低紋波及高 效率等優(yōu)越性能, 正在逐步取代傳統(tǒng)的線性電源。 同時(shí), 高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的高 速響應(yīng)性能、 輸出短路電流限制及穩(wěn)壓和穩(wěn)流等優(yōu)點(diǎn)也使其負(fù)載的使用壽命大大 增加。 評(píng)價(jià)開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以

10、安全性、 可靠性為第一原則。 在電氣技 術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下, 為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全 可靠地工作,必須設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路,比如防浪涌的軟啟動(dòng),防過壓、欠壓、過 流、短路等保護(hù)電路。同時(shí),在同一開關(guān)電源電路中,設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路的相互 關(guān)聯(lián)和應(yīng)注意的問題也要引起足夠的重視 15。許多功率電子節(jié)電設(shè)備, 往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高 次諧波電流, 使總功率因數(shù)下降, 使電網(wǎng)電壓耦合出許多毛刺尖峰, 甚至出現(xiàn)畸 變。大量的諧波分量倒流入電網(wǎng),造成對(duì)電網(wǎng)的諧波 “ 污染 ” ,一方面電流流過線 路阻抗造成諧波電壓降,反過來使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變 ; 另一方面,會(huì)造

11、成電路 故障,使用設(shè)備損壞。因?yàn)樗鼪]有采用有源功率因數(shù)校正,功率因數(shù)較低,只達(dá) 到 0.9, 如果采用有效的功率因數(shù)校正, 功率因數(shù)可以達(dá)到 0.99以上。 開關(guān)電源 輸入端產(chǎn)生功率因數(shù)下降問題,利用有源功率因數(shù)校正電路,成本只增加 5%, 成功解決了這個(gè)問題。 20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生, 有了多種校正功率因數(shù)的方法 1。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 100kHz 、用 MOSFET 管制成的 500kHz 電源,雖已實(shí)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

12、高后,不僅會(huì)影響周圍電子設(shè)備,還會(huì)大大降低電源本身 的可靠性。對(duì) 1MHz 以上的高頻,要采用諧振電路,這樣既可減少開關(guān)損耗,同 時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。 隨著新 型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn), 現(xiàn)代電源技術(shù)將在 實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。 在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下, 由于功率器件性能的限制而 使開關(guān)電源的性能受到影響。 為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性, 使器件性能對(duì)開關(guān)電源性能的影響減至最小, 新型的電源電路拓?fù)浜托滦偷目刂萍夹g(shù), 可使功 率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài), 從而可大大的提高工作頻率, 提高開關(guān)電源 工作效率,設(shè)計(jì)出性

13、能優(yōu)良的開關(guān)電源。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(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的 小型化、 輕便化。 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課題背景隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展, 電子產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛, 電子設(shè)備的種 類也越來越多, 對(duì)供電電源的要求也越來越靈活多樣。 開關(guān)電源是現(xiàn)代電子設(shè)備 的 “ 心臟供血系統(tǒng) ” , 他能把電網(wǎng)提供的強(qiáng)電和 “ 粗電 ” 變換成各種電器設(shè)備和儀器 所需要的高穩(wěn)定度得“精電” 和“細(xì)電”。 現(xiàn)代電子設(shè)備中使用的直流穩(wěn)壓電源 有

14、兩大類:線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)性穩(wěn)壓電源。 所謂線性穩(wěn)壓電源就是起調(diào)整管工 作在線性放大區(qū), 這種電源最大的缺點(diǎn)是變換效率低, 一般只有 35%60%左右。 開關(guān)電源的開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),其主要優(yōu)越性就是變換效率高,可高達(dá) 75%90%。開關(guān)電源具有很大的發(fā)展前景,但是隨其高頻化帶來的問題也越來 越多,所以值得研究。1.2選題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及水平、研究目標(biāo)及意義目前開關(guān)電源的使用對(duì)象涵蓋了包括空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、儀器儀表、 汽車電子、 照明電器及家用電器等領(lǐng)域, 幾乎可以說是只要有電子產(chǎn)品的地方就 有開關(guān)電源的用武之地。 開關(guān)電源的誕生歷史雖然短暫, 但是開關(guān)電源技術(shù)的發(fā) 展卻是日新月異。

15、從最早的自激振蕩式(RCC 到反激振蕩式(Flyback ,再到 正激式(Forward 。從硬開關(guān)(Hard Switching到軟開關(guān)(Soft Switching ,包 括 ZVS (Zero Voltage Switching 、 ZCS (Zero Current Switching 。 從當(dāng)初 60%70%的轉(zhuǎn)換效率到現(xiàn)在的 80%90%的轉(zhuǎn)換效率 (甚至更高 ; 從當(dāng)初不考慮待機(jī)功耗 到要求待機(jī)功耗必須小于 1W 。開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展與市場領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò) 大,順應(yīng)了電子產(chǎn)品市場的需要 3。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器,雖有輸出紋波小,雜音低等優(yōu)點(diǎn),但是卻 又有效率低,體積大而重

16、、過載能力差等嚴(yán)重弱點(diǎn),并且消耗大量有色金屬。 20世紀(jì) 70年代中期以來, 無工頻變壓器的開關(guān)電源技術(shù)風(fēng)靡世界各個(gè)工業(yè)化國家。 這種電源丟掉了笨重的工頻變壓器,功率管工作在開關(guān)狀態(tài),功率變換器以 20kHz2MHz以上的頻率工作, 因此效率大大提高, 體積和重量大大減小。 以功 率晶體管 (MOSFET 為例, 當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí), 漏極 (Drian 和源極 (Source 兩端的壓降接近零,在開關(guān)管截止時(shí),其漏極電流為零,所以其消耗的功率低、 效率高,一般可高達(dá) 70%95%。穩(wěn)壓管體積小質(zhì)量輕,調(diào)整管功率損耗較小, 散熱器也隨之減小。此外,開關(guān)頻率工作在幾十千赫,濾波電容器,電感器可用

17、 較小數(shù)值的原件, 允許的環(huán)境溫度也可大大提高, 機(jī)內(nèi)升溫低, 提高了整機(jī)的穩(wěn) 定性和可靠性。 而且其對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)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(dòng)范圍為 22010%,而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓從 90V264V范圍 內(nèi)時(shí), 都可以獲得穩(wěn)定的輸出電壓。 同時(shí)加入了功率因數(shù)校正技術(shù), 使電網(wǎng)的諧 波大大減小,降低了無功功率的損耗,提高了電網(wǎng)的使用效率,滿足綠色、環(huán)保 的要求 1。目前,在電源系統(tǒng)的體積大小方面還有大量的工作要做,對(duì)比四十年前六 個(gè)大機(jī)柜組成的分立原件及小規(guī)模 IC 的數(shù)字計(jì)算機(jī),其功能還不如現(xiàn)在的筆記 本電腦。 相比之下, 我們現(xiàn)在的電源體積在電子設(shè)備中占的比

18、例還是太大, 功率 密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠高。 VICOR 公司的 VTM 及 PRM 開辟了 DC/DC的新篇章。然而 VICOR 的 CEO 講, 電源技術(shù)水平提高的空間仍然很大, 我們不能總躺在原有的 電路拓?fù)湫问缴?要?jiǎng)?chuàng)新,要走新路。美國目前的數(shù)字電源發(fā)展速度很快,不僅對(duì)大的通信電源完成了設(shè)計(jì)及配 套,而且專塊的 DC/DC系統(tǒng)也已經(jīng)數(shù)字化, TI (德州儀器 、 MICROCHIP (微 芯國際 等都推出了相應(yīng)的產(chǎn)品, Galexy 公司的 DC/DC都加入了 MCU 或 CPU , 連 NoteBook 的適配器也進(jìn)入了全數(shù)字的控制芯片時(shí)代,而且包含了對(duì) PFC 及 PWM 兩部分的控制。開

19、關(guān)電源的發(fā)展方向:(1輸入電壓通用 (2擴(kuò)大輸入電壓范圍 (3 提高輸入側(cè)功率因數(shù)。相關(guān)技術(shù)發(fā)展:(1 SMT 及自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用,專用集成電路的發(fā)展技術(shù) (2軟開關(guān)技術(shù) (3電力系統(tǒng)的管理控制智能化 (4 CAD 技術(shù)的應(yīng)用。1.3 本課題主要的研究內(nèi)容課題研究的內(nèi)容分軟件和硬件。硬件部分設(shè)計(jì)分成以下幾個(gè)部分(1 輔助電源的設(shè)計(jì)。(2 DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇,各電感、電容參數(shù)的選擇。(3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。(4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì),包括繼電器的選擇等。(5 采樣電路的設(shè)計(jì)。(6 整流濾波電路的設(shè)計(jì)。軟件部分的設(shè)計(jì), 該系統(tǒng)的軟件是在 A VR128的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。 包括 PWM 波的 產(chǎn)生, AD

20、 采樣和保護(hù)程序。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與論證2.1課題研究的基本要求(1 當(dāng)輸入電壓穩(wěn)定時(shí),輸出電壓 3U 為較穩(wěn)定直流電壓,其平均值誤差不超過 0.3伏;(2 輸出電壓 3U 的紋波 %5. 2%10033U U ; (3 整流電路采用單相橋式整流; (4 濾波電路采用 LC 濾波電路;(5 在電壓 3U 處接入電阻負(fù)載,輸出功率可達(dá) 5瓦。2.2方案論證方案一:DC/DC模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用(Buck Chopper 降壓斬波電路 15。電 路原理圖如圖 2.1所示: 圖 2.1 Buck電路原理圖Buck 電路的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓值可以選得較低 (一般在 1000V 以下 。 工 作時(shí), 輸入電

21、壓的極性是上正下負(fù), 輸出電壓也是上正下負(fù)。 在整個(gè)回路中輸入 和輸出電壓的極性是相反的。 在開關(guān)管截止時(shí)輸入電壓和儲(chǔ)能電感兩端的電壓極 性是相同的,但是與輸出電壓的極性相反所以加在開關(guān)管兩端的電壓 Uv 為輸入電壓 E 加上儲(chǔ)能電感兩端的電壓 Ul 再減去輸出電壓 Uo , 所以開關(guān)管兩端的電壓 較低。Uo Ul E Uv -+= (2-1在 t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通, 電源 E 向負(fù)載供電, 負(fù)載電壓 0u E =, 負(fù)載電流 0i 按指數(shù)曲線上升。當(dāng) 1t t =時(shí)刻,控制 V 關(guān)斷,負(fù)載電流經(jīng)二極管 D 續(xù)流,負(fù)載 電壓 0u 近似為零, 負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。 為了使負(fù)載電流連續(xù)且

22、脈動(dòng)小, 通 常使串聯(lián)的電感 L 值較大。至一個(gè)周期 T 結(jié)束,再驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通,重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作于 穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等,負(fù)載電壓的平均值為0on on on off t tU E E E t t T=+ (2-2式中, on t 為 V 處于通態(tài)的時(shí)間; off t 為 V 處于斷態(tài)的時(shí)間; T 為開關(guān)周期;為導(dǎo)通占空比,簡稱占空比或者導(dǎo)通比。由式 (2-2 可知, 輸出的負(fù)載的電壓平均值 o U 最大為 E , 減小占空比 , oU 隨之減小。負(fù)載電流平均值為o mo U E I R-=(2-3 式中, m E 為負(fù)載反電動(dòng)勢。方案二:DC/DC模塊拓?fù)?/p>

23、結(jié)構(gòu)采用(Boost Chopper 升壓斬波電路 15。電 路原理如圖 2.2所示: 圖 2.2 Boost電路原理圖Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中開關(guān)管截止時(shí)加在開關(guān)管兩端的電壓為輸入電壓和儲(chǔ)能電 感兩端的電壓再加上輸出電壓即:Uo Ul E Uv += (2-4所以相對(duì) Buck 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路而言 Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路中的開關(guān)管的耐壓值 較高。Boost 電路的原理分析方法與 Buck 電路的的分析方法基本相同。首先假設(shè) 電路中 L 值很大,電容 C 值也很大。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期 T 內(nèi)電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相等 15,即11( on o off EI t U E I t

24、=- (2-5化簡得on offo offofft t TU E E t t +=(2-6 式(2-6中 offT表示升壓比,調(diào)節(jié)其大小,即可改變輸出電壓 o U 的大小。將升壓比得倒數(shù)記作 ,即 off t T=。 則 和占空比 有如下的關(guān)系1+= (2-7根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式(2-6 、 (2-7得出輸出電流平均值 o I 為1o o U EI R R=(2-8 方案三、 DC/DC模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用(Buck/Boost變換器 15。電路原理如 圖 2.3所示: 圖 2.3 Buck/Boost電路原理圖該電路可以實(shí)現(xiàn)升壓也可以實(shí)現(xiàn)降壓,但是相對(duì)前面兩種方案而言控制更 難。穩(wěn)態(tài)時(shí),一個(gè)周期

25、內(nèi)電感 L 兩端電壓 L u 對(duì)時(shí)間的積分為零,即0TL u dt =(2-9當(dāng) V 處于通態(tài)期間, L u =E;而當(dāng) V 處于斷態(tài)期間, L o u u =-于是on o off Et U t = (2-10所以輸出電壓為1on on o off on t t U E E E t T t =- (2-11 改變占空 比 , 輸 出電壓 既 可以比 電 源電壓 高也可以比 電源電 壓低。當(dāng)02時(shí)為降壓,當(dāng) 21時(shí)為升壓。其他方案、 采用 DC/DC變換器采用正激變換器、 反激變換器或者推挽變換 器。這些變換器的結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。方案一:用驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)良的集成芯片 IR2110,自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源大

26、大簡化 了驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)。 同時(shí), 采用集成芯片設(shè)計(jì)電路可以大大減小電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜 度并且極大地提高驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。方案二:用模擬器件搭建 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路, 相比集成芯片設(shè)計(jì)時(shí)電路復(fù) 雜難度增加,通過選擇合適的電阻,可以達(dá)到很低的功耗,給 MOSFET 的驅(qū)動(dòng) 電壓峰值會(huì)受到限制,輸入和輸出電流也受到限制。方案一:選一般常用的 51單片機(jī), 51單片機(jī)雖然能產(chǎn)生 PWM 波,但是頻 率太低不能滿足題目要求,需要設(shè)計(jì)外部 PWM 波產(chǎn)生電路。方案二:選低功耗的 MSP430單片機(jī), 由于 MSP430本身的低功耗而系統(tǒng)的 工作電流比較大, 430單片機(jī)的隔離將會(huì)使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)難度增加

27、。方案三:選 A VR 系列的單片機(jī), 這類單片機(jī)可以產(chǎn)生多路較高頻率的 PWM 信號(hào),同時(shí),自身的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),相比 MSP430單片機(jī),使用更加靈活方便,且 適合于大功率工作場合。綜合上面的考慮本系統(tǒng)選擇 A VR128單片機(jī)。方案一:將已知阻值的康銅絲串在回路中, 通過把康銅絲兩端壓降經(jīng)過集成 運(yùn)放放大后的信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行 AD 采樣, 從而測得到各支路電路的電流 值。電壓的檢測方法是在負(fù)載兩端并聯(lián)大電阻,該電阻由兩個(gè)阻值約為 3的電 阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn),用測電流相似的方法測出較小電阻的兩端壓降并放大后送往單片 機(jī),由單片機(jī)內(nèi)部 AD 進(jìn)行采樣。方案二:檢測方法與方案一完全相同,只是采樣的時(shí)

28、候使用外部 AD 。 方案三:用直流電流、電壓互感器。將三種法案比較, 用單片機(jī)內(nèi)部 AD 采樣對(duì)軟件要求比外部 AD 采樣要求要 高, 但是此種方案可以減少芯片的使用可以提高系統(tǒng)的效率, 并且采樣的過程中 還可以運(yùn)用單片機(jī)本身對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波, 同時(shí)還可以降低系統(tǒng)本身的制作成 本。方案三大大增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。因此,本系統(tǒng)選擇方案二。經(jīng)過系統(tǒng)各個(gè)主要模塊的方案論證得出本系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 圖 2.4 系統(tǒng)框圖3 硬件電路設(shè)計(jì)對(duì)于本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)方面:1、 變壓整流濾波電路2、 DC/DC模塊3、 采樣反饋電路4、 保護(hù)電路。下面就各個(gè)部分的設(shè)計(jì)做具體分析與參數(shù)的計(jì)算。3.

29、1變壓整流濾波電路本電路模塊主要采用單相不可控橋式整流電路和無源濾波器來實(shí)現(xiàn)。 其設(shè)計(jì) 原理圖如圖 3.1所示。 圖 3.1 變壓整流濾波電路由相關(guān)的電力電子技術(shù)知識(shí)可以知道, 整流二極管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為222(其中2U 為變壓器次級(jí)繞組的輸出電壓 。 在交流電 源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載,在一個(gè)周期內(nèi),整流電壓波形脈動(dòng) 2次,變壓器二次繞組中,正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱,平均值為零, 即直流分量為零。所以不存在變壓器直流磁化問題,變壓器繞組的利用率也高。 整流電壓的平均值為 22211cos 1cossin ( 0.922dU wtd wt U+=(3-1

30、 由于此處用的是不可控整流,所以 0o=。所以整流電壓平均值為20.9dU U=(3-2 向負(fù)載輸出的直流平均電流值為20.9ddU UIR R=(3-3 本設(shè)計(jì)中還在直流電壓的輸出側(cè)串聯(lián)了平波電抗器, 串聯(lián)這個(gè)電抗器的主要 目的是用來減少電流的脈動(dòng),同時(shí)還可以起到濾波的作用。在變壓器降壓前級(jí)設(shè)計(jì)了一個(gè)由 T1、 C1、 C7、 C9、 C10組成的類似 型的 濾波器。 T1左右兩側(cè)的電感線圈匝數(shù)是相同的,在電路正常工作時(shí),電感線圈 中時(shí)不會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢的。 T1電感線圈對(duì)直流量沒有影響,但是對(duì)高頻信號(hào) 起到濾波作用。本電路設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是在每個(gè)整流二極管的兩端并聯(lián)了一個(gè)瓷片電容 C2、 C

31、3、 C4、 C5。這 4個(gè)電容的主要作用是保護(hù)整流二極管。因?yàn)樵陂_關(guān) S1剛閉合時(shí), 如果沒有加這幾個(gè)電容, 流過整流二極管的沖擊電流會(huì)很大, 可能會(huì) 超過二極管的最大承受電流值, 導(dǎo)致整流二極管燒毀; 如果加了這幾個(gè)電容, 沖 擊電流會(huì)先給電容充電,從而起到保護(hù)整流二極管的作用。電路中還有一個(gè)重要的部分就是無源濾波器的設(shè)計(jì)。 無源濾波器電路結(jié)構(gòu)簡 單, 重要的是各個(gè)元器件的選擇。 這里元器件的選擇包括電容材料的選擇和容值 大小的選擇,以及電感磁芯材料的選擇和電感值得選擇。開關(guān)電源 EMC 設(shè)計(jì)中 常用的磁性材料主要是 鐵氧體、磁粉心、非晶態(tài)合金等軟磁材料。對(duì)其一般有共同的要求:磁導(dǎo)率要高;

32、有很小的矯頑力cH 和狹窄的磁滯回線;電阻 率要高;具有較高 的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。共模扼流圈一般在鐵氧體上繞制。因 為鐵氧體 的導(dǎo)磁率很高, 可以獲得很大的電感量, 而由于共模 扼流圈的特殊繞 制方法, 沒有磁芯飽和的危險(xiǎn)。 差模扼流圈一般在鐵粉磁芯上繞制。 這種磁芯不 易發(fā)生 飽和,但是磁導(dǎo)率較低。有時(shí)為了避免磁芯飽和,差模扼流圈在磁路開 放的磁芯上繞制, 通過減小磁芯中的磁通密度來避免飽和。 這時(shí)要注意, 電感也 是一個(gè)非常高效的磁場接收器件, 會(huì)將周圍的干擾收集到電感上, 形成新的干擾, 必要時(shí)可以采取屏蔽措施。 共模扼流圈能濾除低頻噪聲。 一般來說, 電感值越大, 對(duì)低頻 (1 MHz

33、以下 段傳導(dǎo)干擾的抑制效 果越明顯。對(duì)于錳鋅鐵氧體磁芯,增 大電感量以后, 1 MHz以下的干擾水平明顯降低;尤其在 0.10.7MHz頻段內(nèi), 干擾水平下降了 20dB 。比較后可看出,應(yīng)根據(jù)所要濾除噪聲的頻率下限選取扼 流圈的電感值。 共模扼流圈能濾除低頻噪聲, 但電感值越大, 插入損耗也越大 4?？缃与娙?Cx 越大,插入損耗也越大;即使在濾除差模噪聲的時(shí)候,通路中 的旁路電容也要濾除高頻噪聲, 因此要用殘余電感小的電容。 在用電容抑制電磁 干擾時(shí), 最容易忽視的問題就是電容引線對(duì)濾波效果的影響。 利用電容器的容抗 與頻率成反比這一特性, 將電容并聯(lián)在信號(hào)線與地線之間, 可起到對(duì)高頻噪聲

34、的 旁路作用。電容的諧振頻率由等效電感 (ESL和 C 共同決定。電容值或電感值越 大, 則諧振頻率越低, 電容的高頻濾波效果越差。 ESL 除了與電容器的種類有關(guān) 外,電容的引線長度是一個(gè)十分重要的參數(shù):引線越長,則電感越大,電容的諧 振頻率也越低。 因此在實(shí)際工程中, 要使電容器的引線盡量短。 提高電容器對(duì)高 頻干擾旁路效果的方法是減小引線串聯(lián)電感:一方面選擇電感小的電容種類, 另 一方面在安裝電容時(shí)要使電容的引線盡量短, 這也包括線路板上可以等效到電容 引線上的軌線長度。 陶瓷電容器是理想的射頻濾波電容, 其表面安裝的獨(dú)石電容 雖然不是專門的干擾濾波器件,但由于它沒有引線 而具有良好的高

35、頻特性,適 合射頻濾波應(yīng)用。所以此處無源濾波器的參數(shù)為:C1=C7=0.1uf、 C9=C10=1uf、 C6=C8=0.1uf、 C11=C12=470uf、 C13=C14=47uf、 L1=L2=1mH。其中瓷片電容 C1、 C7、 C9、 C10、 C6、 C8容值較小起濾除低頻諧波的作用,電解電容 C11、 C12、 C13、 C14容值較大起濾除高次諧波的作用。3.2輔助電源的設(shè)計(jì)輔助電源主要是給單片機(jī)、 驅(qū)動(dòng)電路的芯片、 采樣電路的芯片、 保護(hù)電路的 芯片供電的。 由于開關(guān)電源工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的高頻干擾, 所以給單片機(jī)的供電 電源要相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定, 并且諧波成分盡量的少, 處于這方面

36、的考慮本研究中選用常 用的線性穩(wěn)壓管來實(shí)現(xiàn)。 這樣設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡單, 并且可靠性高。 電路原理圖如 圖 3.2所示 圖 3.2 輔助電源電路原理圖采用 7815、 7812、 7805三級(jí)串聯(lián)穩(wěn)壓,這樣可以得到不同的電壓等級(jí),給驅(qū)動(dòng)電路芯片如 I 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110,高速光藕芯片 6N137等其他電路的 芯片供電。 為了防止電路故障時(shí)因電流反流而燒毀芯片, 在各穩(wěn)壓管的輸入端和 輸出端反并聯(lián)了一個(gè)二極管。3.3 Buck電路參數(shù)選擇原理和計(jì)算在 Buck 電路中的電感 L 和電容 C 組成低通濾波器, 此濾波器的設(shè)計(jì)原則是, 使輸出電壓的直流分量可以通過,抑制輸出電壓的開關(guān)頻率及其諧

37、波分量通過。 但是, 構(gòu)建一個(gè)能夠讓直流分量通過而且完全濾除開關(guān)頻率及其諧波分量的完美 的濾波器是不可能的, 所以, 在輸出中至少有一小部分是由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧 波 16。因此,輸出電壓波形事實(shí)上如圖 3.2所示,可以表達(dá)為( (00t u U t u ripple += (3-4 U (t ripple (0t u圖 3.2 輸出電壓波形所以實(shí)際的輸出電壓由所需要的直流分量 0U 加少量的交流分量 ripple u 所組 成,交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開關(guān)諧波所產(chǎn)生。由于直流變換器的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出, 因此希望輸出電壓開關(guān)紋 波應(yīng)很小。所以,通?？梢约僭O(shè)開關(guān)紋波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)

38、小于直流分量,即0max U u ripple - (3-18式中 g Q 為開關(guān)管的柵極電荷。這里選擇的關(guān)管是 IRF530,其 g Q 值為 nC 26,V V cc 12=。所以,由上式可得:nF C 1045. 110122621=-(3-19為了能快速有效的自舉本系統(tǒng)選擇瓷片電容 , 其大小為 nF 224。3.5采樣電路設(shè)計(jì)電流檢測采用串聯(lián)電阻的方法, 串聯(lián)的電阻選擇阻值隨溫度變化較小的康銅 絲。 由于康銅絲的阻值比較小所以獲取的采樣電壓很小, 必須經(jīng)過放大電路后送 入單片機(jī)進(jìn)行采樣。 此處的放大電路采用求差電路, 除了可以放大康銅絲兩端的 電壓信號(hào)外,還可以解決單片機(jī) AD 采樣

39、時(shí)的 “ 共地 ” 問題。采樣電路中的運(yùn)放選 擇的是 NE5534,該運(yùn)放為雙電源供電的,但是在單電源供電的情況下也能正常 工作。并且在調(diào)試電路的時(shí)候比用單電源供電的運(yùn)放如 LM741說調(diào)節(jié)的精度要 高些。電路原理圖如下 圖 3.7電流采樣電路路電壓采樣電路和電流采樣電路基本相似, 只是將串聯(lián)在電路中的康銅絲換成與負(fù)載并聯(lián)的大電阻,這個(gè)電阻有兩個(gè)電阻串聯(lián)而成,一大一小,比值約為 3。 3.6保護(hù)電路的設(shè)計(jì)保護(hù)電路采用固態(tài)繼電器進(jìn)行設(shè)計(jì), 當(dāng)電路出現(xiàn)過流和過壓時(shí)通過單片機(jī)控 制繼電器的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)主電路的通斷和自動(dòng)恢復(fù)。 為了減少系統(tǒng)的損耗, 保護(hù)電 路中的固態(tài)繼電器選擇的是常閉型的繼電器 943

40、-1C-6DS ,該繼電器的工作電壓 為 12V , 是本課題設(shè)計(jì)的輔助電源能輸出的,減少了電路的設(shè)計(jì)。 電路原理圖如 下 SPDT入圖 3.8 保護(hù)電路原理圖本課題設(shè)計(jì)中所有與單片機(jī)相連的信號(hào)都通過高速光耦 6N137進(jìn)行隔離, 采樣電路輸入單片機(jī)的信號(hào)除外。 光耦在設(shè)計(jì)中的運(yùn)用可以對(duì)單片機(jī)起到很大的 保護(hù)作用,即使后級(jí)電路發(fā)生故障也不會(huì)引起控制核心器件 A VR128的燒毀。4 軟件部分設(shè)計(jì)4.1 AVR128簡介A VR 單片機(jī)廢除機(jī)器周期,采用 RISC ,以字為指令長度單位,取指周期 短,可預(yù)取指令,實(shí)現(xiàn)流水作業(yè),可高速執(zhí)行指令。有高可靠性為后盾。 A VR 單片機(jī)在軟 /硬件開銷、速度、性能和成本多方面取得優(yōu)化平衡,是高性價(jià)比的 單片機(jī)。內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash 程序存儲(chǔ)器,擦寫方便,支持 ISP 和 IAP ,便于產(chǎn) 品 的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。 I/O端口資源靈活、功能強(qiáng)大。單片機(jī)內(nèi)具備多 種獨(dú)立的時(shí)鐘分頻器。 高波特率的可靠通信。 包括多種電路, 可增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng) 的可靠性,電路:自動(dòng)上電復(fù)位、看門狗、掉電檢測,多個(gè)復(fù)位源等具有多種省 電休眠模式、寬電壓運(yùn)行(2.75V ,抗干擾能力強(qiáng),可降低一般 8位機(jī)中的軟 件抗干擾設(shè)計(jì)的工作量和硬件的使用量。 集成多種器件和多種功能, 充分體現(xiàn)了 單片機(jī)技術(shù)向片上系統(tǒng) SOC 的發(fā)展方向過渡。本課題的軟件是在 A VR1