【毕业学位论文】基于以太网控制的智能开关电源的设计

目 录 1 绪论 1 关电源的国内外发展历史、现状及趋势 1 络智能开关电源研究现状 2 题的背景及目标 3 络智能开关电源课题的来源、意义及主要内容 5 2 关电源电路原理及各个组成部分 7 言 7 关电源原理 7 理 7 构 8 程 8 关电源电路工作原理 8 C 输入整流部分 8 激变换 9 收箝位电路 10 出稳压控制电路 13 出部分 14 护电路 16 章小结 17 3 理器及 号的输出 18 言 18 特点及其功能 18 本特性 18 脚 19 块 20 本原理 21 关寄存器 22 制运算 23 目 录 制原理和特点 23 字 理 23 制运算 25 制系统的设计 26 制设计 27 作原理 27 件设计 28 统整体设计 28 出通道的选择 29 机调制 30 态调试 30 态调试 31 据的测量和计算 31 章小结 32 4 基于网络控制的电源控制模块的设计 33 体设计 33 络接口芯片的选择和控制电路 35 P 网络协议设计与实现 37 络接口层实现 37 络层实现 41 输层实现 44 用层实现 46 户端程序设计 48 视网页设计 48 户端维护程序设计 48 章小结 54 5 实验及结果分析 55 络传输实时性能实验 55 真结果及分析 59 压器线圈 端的波形图 59 2 端的波形图 59 目 录 压器线圈 端的波形图 60 压器线圈 端的波形图 61 出电压的波形图 62 3 两端的波形图 63 歇振荡（线圈 端，驱动）波形图 64 章小结 65 6 总结与展望 66 容总结 66 究展望 66 致 谢 68 参考文献 69 附 录 73 1 绪论 11 绪论 关电源的国内外发展历史、现状及趋势 随着电子技术的高速发展 ,电子系统的应用领域越来越广泛 ,电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成 本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制 ,并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种 ,其中开关电源分为 前 ,我国通信、家用电器等领域所使用的电子电源普遍是开关电源。 电子科技的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开高质可靠的电源。伴随着信息产业的发展，电力电子技术也得到高速发展。电力电子学的应用已经有多年的历史，在电力拖动、变频调速、大功率换流中已经是比较成熟的技术。如果说信息产业是以信息流为基础，而电力电子技术是通过信息流控制能量流的一门技术。 在上世纪 70年代，随着硅半导体材料的发展，产生了硅二极管，电子行业发第一次技术革命；而电子行业第二次技术革命则是以电力电子领域的大功率电子器件的发展为标志。 电力电子做为一项传统电子行业经历了从低频领域向高频领域；从大体积到小型化；从低效率高功耗向高效节能方向发展；从机械的人工操作向智能化、自动化发展；从传统电力电子学发展到今天的现代电力电子学；电力电子技术在上世纪的最后 30年里经历了较大发展。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了 60年代的整流器时代、 70年代的逆变器时代和 80年代的变频器时代。在 70年代出现了世界范围的能源危机，电力电子学向节能方向发展，相继发展出了大功率逆变用晶闸管、超大功率晶体管 (门极可关断晶闸管 (成为当时电力电子器件的主角，促使世界电源史上发生了一场革命， 即 20电源领域的应用。而八十年代末期到九十年代初期发展起来的、以功率 高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。最先实现电源开关化的设备是微机电源。在上世纪 80年代，个人电脑 机电源率先实现了电源开关化，完成电源的更新换代。开关电 1 绪论 2源也进入我国。伴随这电子行业的高速发展，基于 携式电子设备的 动电话等得到应用，在军用领域如航天、车辆、舰艇等，也实现了小型化、轻量化的开关电源。因此对开关电源也提出了小型化、轻量化的要求。除此之外，还要求开关电源效率更高、性能更好、可靠性更高。 开关电源是利用现代电力电子技术输出脉宽调制波，即 制开关功率晶体管的开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源。 开关电源一般由脉宽调制 (制 开关电源相对的是线性电源。新型的开关电源和传统线性电源相比，二者的成本都是随着输出功率的增加而增加，但是线性电源的成本随着输出功率的增加，在某一输出功率点上，反而高于开关电源。这就给开关电源留下了广泛的生存空间。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也得到不断的创新，开关电源的应用空间得到扩大，甚至与线性电源重叠，这就为开关电源提供了广泛的发展空间。 电力电子技术是重要的支撑技术，据美国总统科学和技术顾问委员会提出。国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、信息、通讯、生命科学、材料、交通。每一领域，无一不和电力电子有关，都在起着重要作用，开关电源是其中的一个重要方面，有着深远的美好前景。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高科技领域的应用，如通讯、计算机、电子工程、国防、航天等领域，推动了产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境等方面都具有重要的意义。因此开关电源的发展主要在以下几个方向： 高频化：开关电源频率要高，这样动态响应才能快，提高功率密度，配合高速微控制器工作是必须的，是减小体积的重要途径。 模块化，轻量化：开关电源体积要减小，电感、电容都要减小体积，以适应系统模块化，轻量化的需求。将信息技术的嵌入式技术与电力电子组成的一个系统进行集成，有效的减少体积重量、提高可靠性，给应用带来极大方便。 高效率：电源转换效率要高，节约了能源同时，电源本身的能耗降低，散热会减少。电源热设计就更加容易，容易达到高功率密度。 络智能开关电源研究现状 网络智能开关电源是指开关电源利用网络协议，使现场测控数据就近登录网络，在网络所及范围内实时控制和调节。它是计算机技术、通信技术和电源技术的结合，是科学技术发展，数字化、智能化和网络化将成为开关电源发展趋势后的必然产物。它以高精度、 1 绪论 3高可靠性、多功能、能够与计算机通信等特点在过程控制中拥有广阔的应用前景，为电源技术的发展指明了一个新方向。目前的网络化智能开关电源可分为基于现场总线和基于 现场总线技术是在开关电源智能化和全数字控制系统的需求下产生的。现场总线是连结智能化现场设备和控制室之间全数字式、开放式和双向的通信网络。自 80年代提出现场总线概念以来，它一直受到人们的极大关注，被誉为自控领域的一次革命。进入 90年代以来，现场总线控制系统一度成为人们的研究热点，各种各样的现场总线产品不断涌现。目前市场上较为常见的现场总线有 制局域网络 )， 部操作网络 )、程现场总线 )、 寻址远程数据通信 )、 金现场总线 )等。但是随着实际应用的增加，现场总线技术也面临着诸多难以解决的问题：一方面现场总线种类繁多，F、 种现场总线标准。加上 种现场总线国际标准 (导致目前现场总线国际标准共有 12种之多，而它们各自有各自的优势和适用范围，又各自采用完全不同的通信协议，很难在短期内走向统一；另一方面，现场总线本身还存在着瓶颈问题，现场总线系统的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。 鉴于现场总线的诸多问题，随之出现了基于 有着电子和信息技术的高速发展，通过软件方式或硬件方式将 无论是采用哪一种方式，其关键都是网络接口的实现，即如何把 对这一问题，国内外进行了大量的研究，各类方法和实现方案不断涌现，各有特点和优势。总的来说，这些解决方案可分为两大类：一类是直接在智能开关电源上实现 一类是智能开关电源通过公共的 或称网关 与 如今，以 于 子工程、国防军事等诸多领域有了一定的应用，它正在悄悄改变着我们的生活。 网络化智能开关电源特别是基于 开关电源从传统开关电源向智能化、系统化、网络化发展，从实地检测向远程监控发展，已经成为开关电源技术未来发展的趋势。 题的背景及目标 电源智能化、网络化的基础就是全控型功率器件和微控制器。目前，电力电子行业的 1 绪论 4发展迅速，开关频率越来越高的 得电源向高频率、高精度发展。根据片集成度每 18个月集成度增加 1倍。随着微电子的发展，速度越来越快、集成度越来越高的微控制器也成为现实。因此，在电源领域上已经开始了向智能控制电源发展的趋势，国外已经将微控制器或者 型开关电源的数字控制模块9。 目前我国电源领域智能化、网络化的步伐也开始加快，但是仍旧把微控制器作为系统的监控器使用。并未把微控制 器在采样、运算、控制上的高速、高精度的潜力完全发挥出来。如果我们能够选择一块高精度的模数转换器作为模数接口，并将其与一块内部集成有集成度、高运算精度的微控制器连接，完全在数字领域进行据分析、控制运算、控制输出开关量，就能实现开关电源的网络化控制，突破模拟开关电源在开关频率、控制精度的瓶颈。比如通过 16位分辨率、满量程 5以将反馈信号进行量化，精度最高可达 5果我们选用 32位字长的微控制器，速度达到几十个 以进行高精度、高数字 后通过微控制器片内集成的 仅减少了由数模转换器和三角波电路构成的模拟 实现了数字 得修改 数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，方便的调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时减少元器件的数目，简化硬件结构，从而提高系统的可靠性10。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子设备运行的智能化。 网络智能开关电源最简单的定义就是通过数字接口控制开关稳压器， 可能包括通过 关频率或多通道电源的排序。很多电源管理集成电路都可以这种方式工作：通过数字接口控制模拟开关稳压器。同时，提供控制功能以监视开关电源的状态，如输出电流、输出电压、输入电流、输入电压、工作温度等， 障状态信息甚至时间标记事件等其他信息也可以存储在片上非易失性存储器中，并在将来某个时间报告这些信息。高精度智能型电源，不仅要求电源实现高精度稳定大功率电源输出，还要求电源具有良好的可操作性能。比如：实时显示电源工作参数、在非易失存储器里保存系统工作参数、可靠的自我保护功能以及良好的人机交互接口。需要同时完成若干个系统任务，包括：信号的采集并处理、复杂控制算法的实现、 据记录以及数据的输出显示等复杂功能，这都是传统模拟电路无法完成的任务。 网络智能开关电源采用微控制器作为核心，将 现 开关电源能直接通过 过网络设置 1 绪论 5开关电源工作模式，实现多功能化，完成采样、 控制、算法、输出、显示等功能。 络智能开关电源课题的来源、意义及主要内容 本课题来源于深圳某电子公司，该公司与我院电力电子实验室合作，针对该公司某型开关电源进行技术改造，力求开发一套功能完善、精度高、集成度高、稳定可靠的智能化网络控制开关电源。要求该开关电源系统具有典型开关电源所具有的结构与特点。我们关心的问题是如何使该开关电源系统具有智能化、网络化、高精度的特点。 本课题以传统开关电源为基础，完成了从底层开关电源到上层应用程序的整体系统设计。在开关电源意义上，网络化智能开关电源是现代信息技术的三大支柱信息采集、信息处理和信息传输，相结合的产物，从而开关电源中传出的数据不仅仅是单纯的采样值，而是经过分析、计算、比较等处理后，能够直接被用户所接受的各种有用信息，实现了开关电源的数字化、智能化，同时也减小了网络和上位机的负担。利用 现了单 保持规定精度的基础上，进一步降低成本，缩小体积，增加产品的可靠性。网络适配器模型， 结合 出了一种智能开关电源网络接口的解决方案。在开关电源系统中，本设计将开关电源、网络节点和网关三者的功能结合于一体，使得开关电源可以就近直接接入互联网，使用方便。用户通过网络上访问不同的 够方便的对开关电源进行调节。在开关电源技术、嵌入式技术和网络技术的飞速发展的今天，本课题为开关电源技术的研究提供了一定的实验依据，也为其以后可后续开发进一步推向市场奠定了良好的技术基础。 本课题的科研意义在于将智能化和网络化的嵌入式技术引入到电力电子的开关电源领域，实现了数字化的采样、运算、控制输出、系统监控、人机接口功能14。充分发挥微控制器精度高、速度快特点，将传统电力电子学与现代嵌入式系统两大学科高度融合，采用数字化信息流控制电力能量流的方式，提高了开关电源的输出精度、智能度、集成度和系统稳定性，提出了高精度智能型开关电源的设计思路，体现了开关电源发展方向。 本文共分六章： 第一章主要介绍了开关电源发展的历史、现状和未来趋势，重点对网络化智能开关电源的已有研究作了进一步说明，阐述了本次课题的目标及意义。 第二章详细阐述了传统 括主要电路的设计原理。 第三章详细介绍了开关电源控制系统的模块设计，核心芯片的信息及工作模式以及 1 绪论 6 第四章具体介绍了网络控制模块。包括底层以太网的选择、控制电路和 出了主要函数和程序流程。 第五章在前三章设计完成之后，通过大量现场实验，验证了本设计的各个主要方面性能，并对结果进行了分析。 第六章总结全文内容。 2 关电源电路原理及各个组成部分 72 关电源电路原理及各个组成部分 言 路，变压器（相当于储能电感）的工作模式处于临界连续状态，可以方便的实现电流型控制，容易得到快速稳定的响应，广泛应用于 50于要维持临界连续模式，并且变压器原边电流上升受输入电压影响，因此开关工作频率受输入电压和输出电流的影响，占空比也受输入电压的影响。在输入电压最高和空载时，工作频率最高。也正是因为工作频率波动较大，滤波电路的设计也相应较难。 相对于它的缺点， 先是电路结构简单，只需要少数分离原件就可以得到需专用芯片才能实现的电压输出性能，通过良好的设计就可以获得高效和可靠的工作。其次，许多与驱动有关的困难（驱动波形、变压器饱和等）在自激变换器中得到很好的解决。而且，由于总是工作于完全能量传递模式，副边整流二极管正向导通电流到零，反向恢复电流和损耗很小，产生的振铃相对于不完全能量传递模式也要小很多，因此输出的高频杂音也要小很多。基于以上特点， 如低压小功率模块、家用电气、手机充电器等15。 关电源原理 理 通过高频开关技术将输入的较高的交流电压 (换为所需要的较低的直流电压(开关电源的中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的 0%而相应的线性稳压电源的效率仅有 50%左右。输出电压的稳定则是依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制 6。 2 关电源电路原理及各个组成部分 构 开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。 程 当交流电进入电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电。接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。然后滤除高频交流部分，这样最后输出供使用相对纯净的低压直流电17。 图 关电源电路方框图 .1 of 关电源电路工作原理 C 输入整流部分 如图 流电 (220V/50 过 1并由 把交流电变换为直流电 （当输入交流电 110整流后的直流为 155输入交流电 220流后的直流为 300 2 关电源电路原理及各个组成部分 9图 入整流电路 .2 of 自激变换 （ 1）启动 接通输入电源 流 5流向开关晶体管 体管 此 （ 2）自激振荡 有了 入电压 P)上 , 正下负 ,同时辅助绕组 P)形成上正下负，于是电流通过 2基极，加大了 B，这样形成了正反馈，加速了 一段时间 电极电流 ( )/ （启动后，在 极电流 本保持定值不变） 2 关电源电路原理及各个组成部分 10在公式（ 立的条件下 于 ， 电极电压由饱和区域向不饱和区域的转移。于是， 导致辅助绕组 基极电流 2基极电流不足状态不断加深， 果晶体管处于 压器各个绕组将产生反向电动势， 次级绕组 7导通， 电流流过负载， 经过某一时间 变压器能量释放完毕 ,但是， 这部分能量再一次返回，使基极绕组 N，晶体管继续重复前面的开关动作19。 图 动电路 .3 of 吸收箝位电路 吸收箝位电路由 6组成， 于变压器存在漏感，而漏感能量不 2 关电源电路原理及各个组成部分 11能通过变压器耦合到 果没有 感中的能量将会在 2极间电容和电路中的其它杂散电容中，此时 加上 位电路，漏感中的大部分能量将在 2上，然后这部分能量被箝位电阻 样就大大减少了开关管的电压应力21。 位电路设计可参考下文： 在 位电路中电阻 2的取值都比较大，因此，箝位电容 样，我们可以用一个恒定值 此基础上我们可以按以下几个步骤来设计 2。 步骤一：确定箝位电压 图 收箝位电路 .4 of 位的反激变换器的开关管的漏极电压。图中： 级到初级的折射电压； 位电容 开关管的漏源极击穿电压； 大输入直流电压； 由图 位电压 输入最高电压有关，用下式来确定 3。 ()R （ 步骤二：确定初级绕组的漏感量 初级绕组的漏感量可以通过测试来获得，常用方法是，短路各个次级绕组测试此时的初级绕组的感量，这个值就是初级绕组的漏感量。需要注意的是，测试频率应采用变换器的工作频率。当然，批量生产时不可能采取逐个测试的方法，这时，可确定一个百分比来 2 关电源电路原理及各个组成部分 12估计整个批次的漏感值，这个百分比通常是在 1% 图 位电压 .5 骤三：确定箝位电阻 前文提到，箝位电容 此箝位电阻消耗的功率为： 24（ （ 中： 位电阻消耗的功率24。 另一方面从能量守恒原则考虑，存在以下关系 11+（ （ 中： 位电阻消耗的能量； 级绕组漏感中存储的能量； 级到初级的折射电压； 位电压； 将能量转换为平均功率则（ 可变为： 21()1 2s lk ds =+（ （ 中： 换器的工作频率； 级绕组的漏感量； 2 关电源电路原理及各个组成部分 13关管的最大峰值电流 (即低压满载时的峰值电流 )； 这样由（ （ 就可得到箝位电阻的计算公式（ 22( )4()R ds f =（ 步骤四：确定箝位电容 箝位电容 常取这个脉动电压为箝位电压的 5%这样，我们就可通过下式来确定 5。 2c （ （ 中： 位电容； 位电压； 位电容上的脉动电压； 位电阻； 换器的工作频率； 本 *100*30/ 0000=18518 取 20K； 00/5/20000/30000=取 0.1 =5V； 00V； =30V； = = =30000 出稳压控制电路 当负载变化或其它因素引起输出电压 过 13、 9加速电容， 电压会高于它基准电压 时 通 过 在光耦发关二极管的电压也增大，光耦发光增强，这样通过光耦的 1的基极电流， 导致 压器储能减少，输 2 关电源电路原理及各个组成部分 14出电压降低。 反之， 通过 13、 9加速电容， 电压会低于它基准 过 在光耦发关二极管的电压也降低，光耦发光变弱， 这样通过光耦的 1的基极电流， 1截止不导通，这导致压器储能增多，输出电压升高27。 图 出稳压控制电路 .6 of 输出部分 当 级绕组 储在变压器中的能量通过 7充电。 14是有电压输出指示电路， 2 关电源电路原理及各个组成部分 15 滤波电容，使输出直流电纹波比较小。 小不同并联，是因为大电容和小电容对不同频率的纹波滤波效果不同，理论上大电容对高频滤波效果较好，但实际上由于大电容具有电感效应而对高频有较大的阻抗，低容量的电容对高频的滤波效果比大电容好。由于 路在开关管 通时，变压器是不给负载供电的，这时只能靠电容给负载供电， 大，储存的能量就越多，供应同样的负载，电压下降就越少，换言之，输出电压就越稳定，所以 大越好。在选取滤波电容时，还要考虑它的耐压，耐压一定要比输出电压高，最好是留有一定的耐压余地29。 图 出电路 .7 of 7是假负载，释放掉滤波电容 到改善电路间歇振荡的效果。此处出现间歇振荡的原因是负载