开关电源方案设计毕业论文论文.doc
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1、摘要 开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文设计了输出电压范围为85-165VAC,标识为220VAC的,测试范围一般为175-265VAC的开关电源。经过多次的测试与电路的调整、系统的各项功能均能正常实现。关键词 :开关电源,开关变换器,开关电路器,反馈电路ABSTRACTWith the wide ap
2、plication of switching power supply in the computer, communications, aerospace, instrumentation and electrical appliances and so on, the growing demand for its people, and has put forward higher requirements for power efficiency, volume, weight and reliability. Switching power supply with its high e
3、fficiency, small size, light weight and other advantages in many respects gradually replaced the linear power supply, low efficiency, and the bulky. The development of power electronic technology, especially the rapid development of the high-power IGBT devices and MOSFET, increasing the working freq
4、uency of the switching power supply to a very high level, which has high stability and high performance characteristics. One of the main purposes of switching power supply technology is serves for the information industries. The development of information technology on power technology and put forwa
5、rd higher requirements, so as to promote the development of switch power supply. Many high-frequency transformation circuit switching power supply, commonly used with push-pull converter, full bridge, half bridge, forward and flyback etc. This paper is using the PWM switching power supplyKeywords: S
6、witching power supply, switching converters, inductors, filter capacitor目 录第一章 绪论51.1选题的背景及意义51.2开关电源的发展51.3设计研究内容6第二章 开关电源方案设计72.1 开关电源工作原理72.2 开关电源与线性电源的比较82.2.1线性电源的缺点82.2.2开关电源的优点82.3 方案论证82.3.1方案182.3.2方案292.3.3 方案392.3.4方案分析92.3.5总体结构设计92.4 难点分析112.4.1如何提高电源工作频率112.4.2储能电感的绕制112.4.3标度转换技术122.5
7、 控制技术选择132.5.1电压型控制技术132.5.2 电流型控制技术132.5.3电流控制型技术的优势142.6 开关变换器结构分析与选择142.6.1降压变换电路分析142.6.2升压型变换电路162.6.3Buck-Boost型变换器162.7 开关电路器件参数选择172.7.1功率开关管的选择172.7.2 滤波电容的选择182.7.3储能电感的选择182.7.4续流二极管的选择18第三章 电路设计203.1 电源电路设计203.1.1整流滤波电路203.1.2开关变换电路203.1.3分压电阻的计算213.1.4保护电路213.2 控制电路设计223.2.1反馈电路设计233.2.
8、2四位数码显示电路设计243.2.3单片机与键盘接口电路设计25第四章 软件设计264.1键盘防抖动子程序264.2数码显示子程序274.3采样子程序284.4中断处理程序设计294.5 PID控制算法304.6数字滤波31总结32参考文献33附录 A34附录 B42致谢43第一章 绪论1.1选题的背景及意义近30年来,许多研究所、工厂及高校已研制出多种型号的开关电源,并广泛的应用于电子计算机、通信、家电等许多方面,取得了很好的效果。工作频率为100千赫兹-200千赫兹的高频开关电源于80年代初期开始研制,90年代初试制成功,目前已经是非常成熟的电子产品。按调制方式划分可以分为: (1)脉宽调
9、制型:振荡频率保持不变,通过改变脉冲的宽度来改变和调节输出电压的大小。通过采样电路、耦合电路构成闭合回路,来稳定输出电压。缩写为PWM(Pulse Width Modulation)。 (2)频率调制型:占空比保持不变或关断时间不变,改变振荡器的频率来稳定并调节输出电压幅度。缩写为PFM(Pulse Frequency modulation)。 (3)混合调制型:通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并输出电压幅度。通常采用的是脉宽调制型和混合调制型两种调制方式。在脉宽调制中因为频率不变,所以无论是对电路中的磁性元件及晶体管的测试和设计都很方便,而且对射频干扰的抑制也变得比较容易。混合调制则因其
10、线路简单,也得到了广泛的应用。相对而言,频率调制较少采用。本文中采用的是脉宽调制型。开关电源具有能耗小、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻等突出优点,在通讯设备、数控装置、仪表仪器、影音设备、家用电器等电子电路中得到了广泛应用。开关稳压电源被誉为“新型高效节能电源”,它代表着稳压电源的发展方向。由于内部器件工作在高频开关状态,因此本身消耗的能量极低,电源。效率可以达到80%以上,比串连调整线性稳压电源的效率提高近一倍。随着电源技术的飞速发展,开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化方向发展,高效率的开关稳压电源已得到越来越广泛的应用。1.2开关电源的发展关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低
11、噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以
12、减少器件的应力,使得产品的可靠性大大提高。1.3设计研究内容(1)、开关电源主电路的设计和参数选择。(2)、IGBT电流、电压额定的选择。(3)、开关电源驱动电路的选择。(4)、开关变压器设计。(5)、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图。(6)、电路仿真分析和仿真结果。第二章 开关电源方案设计2.1 开关电源工作原理开关电源是指调整管工作在开关方式,即导通和截止状态的稳压电源,缩写为SPS(Switching Power Supply)。开关电源的核心部分是一个直流变换器。利用直流变换器可以把一种直流电压变成极性、数值不同的多种直流电压。 图2.1所示电路的工作过程为:假设基准电压为5v,
13、由于电网波动导致输入电压减小,那么输出电压也将会减少,此时,所采样的电压将减小,假设为4.9v,误差为0.1v,经过比较放大后,脉冲调制电路根据这个误差,提高占空比使输出电压增大,同理,当由于电网波动导致输出电压增大时,脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小,以此来控制输出电压的稳定。整流滤波电路开关管滤波电路采样电路比较放大脉冲调宽输出输入基准电压图2.1开关电源原理框图按电源电路中功率管的工作方式划分,电源可以分为开关电源与线性电源两大类。线性电源是发展较早的一种电源,其功率管工作在线性放大区。开关电源是在线性电源的基础之上发展起来的,并在很大程度上克服了线性电源的缺陷,但其自身也有一定的不
14、足。2.2 开关电源与线性电源的比较2.2.1线性电源的缺点(1)功耗大,效率低,效率一般只有35%-45%;(2)体积大、重量大,不能小型化;(3)必须有较大容量的滤波电容。造成这些缺点的原因是:(1)线性电源中功率晶体管V在整个工作过程中,一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体管本身的功耗与输出电流成正比。这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大。为了保证功率晶体管能正常工作,除选用功率大的管子外,还必须给管子加上较大的散热片。(2)线性电源使用了50赫兹的工频变压器,他的效率只有80%-90%。这样不但增加了电源的体积和重量,而且也大大降低了电源的效率,就必须增大滤波
15、电容的容量。2.2.2开关电源的优点(1)功耗小,效率高。图2.1中,开关管V在脉冲信号的控制下,交替工作在导通-截止和截止-导通的开关状态,转换速度快,频率一般在50到200千赫兹。这就使得功率开关管的损耗较小,电源的效率可以大幅度提高,其效率可以达到80%以上。(2)体积小,重量轻。由于没有采用大型的工频变压器,并且在开关管上的耗散功率大幅度降低后,又省去较大的散热片,因此开关电源的体积和重量都可以得到减小。(3)稳压范围宽。开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的,输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时,它仍能保证
16、有较稳定的输出电压,所以稳压范围宽、稳压效果好。(4)滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减小。例如,若开关电源的工作频率为25千赫兹,是线性稳压电源频率500倍(25000/50赫兹),这使滤波电容的容量可以相应的缩小500倍,这使滤波电路中元件的体积和重量得以减少,同时也节省了成本。2.3 方案论证单片机控制的开关电源,从对输出电压控制的角度分析,可以有几种可行的方案。2.3.1方案1方案1:单片机通过数模转换输出一个电压,用作电源的基准电压,电源可以通过键盘预置输出电压,单片机不加入反馈控制,电源仍要使用专门的PWM控制芯片,工作过程为:当通过键盘预置电压时,单片机通过D/A芯
17、片输出一个电压作为控制芯片的基准电压,这个基准电压可以使得控制芯片按照预置电压值,来输出控制脉冲,以输出期望输出电压。2.3.2方案2方案2:在方案1的基础上,单片机扩展模数转换器,不断的检测电源的输出电压,根据电源输出电压与设定值的差值,调整后,通过D/A芯片输出一个基准电压,控制专门的PWM控制芯片,间接的控制电源工作。2.3.3 方案3方案3:单片机扩展A/D转换器,不断检测输出端的电压,并根据电源输出电压与键盘预置电压的差值,输出一个PWM脉冲,直接控制电源的工作。2.3.4方案分析方案1分析:单片机没有加入反馈控制,只是输出一个基准电压,这样单片机的作用非常的小,而且仍要使用专门的控
18、制芯片,价格比较贵,电源成本增加,削弱了单片机的作用,不宜采用。方案2分析:单片机加入了反馈控制,作用得以利用,但是需要扩展A/D和D/A芯片,而且还是需要专门的PWM控制芯片,成本比方案1更高,更不宜采用。方案3分析:这个方案,单片机不仅加入了反馈控制系统,而且作为控制核心,单片机得以充分利用,而且省去了D/A芯片,成本大大降低,是真正的单片机控制。综上所述,本设计选择第三种控制方案,单片机使用89C51,A/D芯片采用ADC0832,采用4位数码管显示采样值,键盘预置电压,设计任务要求输出可调,所以设定值需要从键盘输入,实现输入不同的电压,输出便可以输出不同的电压。2.3.5总体结构设计系
19、统工作原理图如图2.2所示:市电经过整流滤波后,一路电压经过7805稳压得到一个+5v电压,该电压作为单片机的工作电源,另外一路电压直接作为开关变换电路的输入电压。单片机根据键盘输入值和取样值之间的差值,修改脉冲占空比,并输出控制功率开关管,以便得到期望的输出电压值,并根据模/数转换器所采样的电压和键盘输入比较,根据差值调用PID算法再次修改脉宽使输出电压稳定。开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件,在功率开关管导通时,电感储能,在开关管截止时,电感释放能量给负载。单片机定时采样输出端的电压,通过ADC0832送进单片机进行处理,单片机根据处理结果输出更新的控制信号,经过光电耦合器滤除干扰后输出
20、控制信号控制功率开关管工作状态。在本系统中,用户可以根据需要从键盘输入期望的电压,单片机会根据键盘输入与采样电压的差值,更新脉宽,使电源输出相应电压,更新脉宽后,单片机会马上调用PID控制算法,对输出电压进行稳定控制。 闭环时,电源自动进行脉宽调制,当系统读取到键盘预置的电压变化时,先将键盘输入值和从输出端的取样值相比较,假设当前键盘输入为10v,从输出端取样的值为6v,差值为4v,则系统会根据这个差值,更新脉宽使得输出端电压上升为10v;同样,当键盘输入为6v,输出端取样值为10v,差值为-4v,系统会根据算法,将占空比减小以使输出电压变小,这就是系统脉宽调制过程。同时,电源可以自动稳压,假
21、定在某一正常状态下,输出为V0,反馈电压问Vf(Vf=V0),用户设定电压为Vs,当V0=Vs时,偏差为0,单片机不进行脉宽更新,当电网波动导致输出增加时,即V0Vs时,单片机采样的电压也增加,单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小,从而使电压下降,同样当电网波动使输出电压下降时,即V0Vs时,单片机修改脉宽使导通时间变长,从而使输出电压上升,如此循环来进行稳压。整流滤波电路开关变换电路整流滤波电路控制电路辅助电源四位数码管取样电路键盘图2.2 单片机控制开关电源系统框图2.4 难点分析2.4.1如何提高电源工作频率困难分析:现代开关电源的工作频率已经可以达到300千赫兹,本次设计虽然采用了2
22、4M赫兹的晶振频率,可以通过单片机定时输出40千赫兹的频率,但是开关电源要求的是单片机的处理速度要足够快,51系列的单片机,即使使用24M的晶振,相对于开关电源需要很快开关工作频率,它的速度仍是比较慢的,而且这里单片机还需要做采样电压,扫描键盘,PID控制等等很多的工作,那么单片机就更加慢了,就算忽略这方面的影响,单片机可以通过定时器中断产生40千赫兹的频率,但是定时器中断产生的脉冲的有效电平,即占空比是不能够改变的,只能是50%,要设计输出可调的开关电源,显然行不通。解决办法:现在的问题在于单片机输出的脉冲占空比无法改变,硬件更改,只能是更换处理速度高的单片机,但是成本又增加了,而且还不一定
23、比使用专门的PWM控制芯片的控制性能可靠,所以在此选择在软件上解决,具体思路为:首先定义两个变量,一个周期T,一个占空比D,给它们赋值,T大于D,先让单片机I/O输出高电平,让T,D同时计数,当D计算到预计值,I/O口为低电平,然后低电平一直延续到T值时,I/O口输出高电平。改变D,T的值可以改变脉冲频率,改变D值可以控制占空比。算法需要使用定时器,根据电源的工作频率设定定时时间。算法为:D=100,T=1000;/定义变量,并赋值,占空比为100/1000=10%VOID tim0 ()/定时中断P1.0=1;/P1.0输出高电平D+;/同时计数 T+; If(D=100)P1.0=0;/D
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