学生学术科技创新基金项目申请书-卢文俊.doc

大学生学术科技创新基金项目申 请 书项目名称： 稳压电源的制作及拓展 申 请 者： 卢文俊 指导教师： 鲁世斌 所在单位： 合肥师范学院 联系电话：填表日期： 2012年12月24日 合肥师范学院制一、基本信息项目名称稳压电源制作及拓展项目类别理工科类技术创新申请资助金额2000起止年月2012 年 12 月至 2013 年 12 月申请者姓名卢文俊性别男出生年月1991年10月专业电信工程（专升本）年级12级联系电导教师姓名鲁世斌指导教师职称及研究方向讲师 超大规模集成电路设计项目组成员姓名年龄专业年级项目分工签名张珂2312级电信工程（1）班硬件电路蔡艳林2212级通信工程（1）班软件检测研究内容和意义摘要21电子产品会得到更为广泛的应用，而任何一样电子产品都离不开电源。本项目以稳压电源为研究对象，对稳压电源的各个模块及拓展模块进行硬件电路制作并利用软件对相关硬件进行控制，以达到对电流的整流、逆变和对电压的升降、稳压等。稳压电源模型以stc89c52单片机作为控制，配合桥式整流、稳压、升降压、过流保护、模数转换等模块已达到所需要的可控电流电压。电源变压器t的作用是将电网220v的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。变压器副边与原边的功率比为p2/ p1=，式中是变压器的效率。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。本项目研究的目的就是如何更为有效的对电压进行升降并得到较为稳定的电压电流，从而提升电源有效利用。研究稳压电源将为未来更为先进的电子产品奠定基础，为我国电源方面的发展做出贡献，此外，全国电赛中的稳压电源一直是我院的空白，本项目也是为打破这一空白奠定基础。主题词稳压整流逆变升压降压过流保护二、项目的研究意义及国内外研究现状电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。自六十年代起，第一台开关电源问世以来，开关电源在世界各国迅速发展，直流稳压电源也顺势而生，但在初期价格较高，直到八十年代，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛。近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千赫，甚至更高。现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。我国在此方面的起步较晚，1973年才开始这方面的研究工作，现在主要在小功率单端变换器方面发展较为迅速。在功率半导体器件及控制集成化方面，与国外同类产品有这很大的差距。因此，直流稳压电源的研制及应用在此方面与之也从在很大的差距。直流稳压电源通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作于线性放大区的一种直流稳压电源，是发展最早、应用最广泛的一种电源。但其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够。近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。对于这些要求，传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关稳压电源具有以下的一些优越性:1、效率高开关稳压电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关元件漏电流极小，因此功率消耗小而效率高，通常可达到80%-90%以上。功耗小使得机内温升亦低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。而传统的线性稳压电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过调整管，因而损耗大，效率低，一般只在50%左右，功率等级也比较低。2、稳压范围宽从本质上说，线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻”作用实现的，因而调压范围小。开关稳压电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的，因而线性控制区域大，调压范围宽，在交流电压变化较大时，开关稳压电源仍能达到很好的稳压效果。3、体积小重量轻开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行pwm控制，这样可省去笨重的电源变压器，使电源的体积大大缩小，重量减轻。在隔离式开关电源中，高频隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。4、安全可靠开关稳压电源一般都有辅助电路，以提供自动保护功能。正因为直流稳压电源有着这多方面的优点,所以对它的研究有着重要的意义,这不仅是对自己所学知识的总结，而且对自己以后从事电力方面的工作有着很大的帮助作用。对所选课题进行研究，培养自己各方面的能力，进一步锻炼自己。 我院参加过众多电子方面的竞赛，也取得不错的成绩，但稳压电源方面一直是一个空白，我们将为打破这个空白而努力。三、主要研究内容、研究方法和技术路线,拟解决的关键问题及预期进展、研究成果等一.研究内容： 稳压电源以稳压整流为中心，stc89c52单片机作为控制，配合桥式整流、稳压、升降压、过流保护、模数转换等模块已达到所需要的可控电流电压。具体研究内容由以下几个方面组成： 1整流滤波电路：整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压。将交流电转换为直流电是稳压电源制作最为重要的一步。2调整管： 不管什么原因引起输出电压的变化都将通过调整管的uce的调节使输出电压稳定。它是通过电压负反馈来稳定输出电压的。3过流保护用来保护电路，防止产生过大电流，因为根据q=i2rt来计算，相等时间内相等的负载上电流越大产生的热量就越大，若过电流时间太长容易使线路过热融化，产生火灾， 一般过流总会放电电流大一些。4误差放大在控制环路中，误差放大器将误差信号（输出与参考之差）放大，以提高控制系统的灵敏度，提高调节精度（降低调节误差）。保证稳态时的稳压精度。5d/a转换将模拟信号转换为数字信号，以便记录读取6.译码显示 将所需数据显示出来，并可通过按键进行调节一. 研究方法和技术路线： 稳压电源的结构主要分为整流滤波、升压降压、误差调节1整流滤波1.1整流：整个 设计的稳压电源主要有半波整流和全波整流，为了利用效率我们选择全波整流。色彩 桥是全波整流电路如下所示桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对d1、d3加正向电压，dl、d3导通；对d2、d4加反向电压，d2、d4截止。电路中构成e2、d1、rl 、d3通电回路，在rl 上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对d2、d4加正向电压，d2、d4导通；对d1、d3加反向电压，d1、d3截止。电路中构成e2、d2、rl 、d4通电回路，同样在rl上形成上正下负的另外半波的整流电压。1.2滤波1.2.1 电容滤波电路 1.2.1.1 滤波原理 以单相桥式整流电路采用电容滤波的情况为例，说明电容滤波的工作原理。按空载和带载两种情况进行分析。 1空载时的情况 当电路采用电容滤波，输出端空载，如图1所示，设初始时电容电压uc为零。接入电源后，当u2在正半周时，通过d1、d3向电容器c充电；当在u2的负半周时，通过d2、d4向电容器c充电，充电时间常数为 （a） 电路图 (b) 波形图图1 空载时桥式整流电容滤波电路 2.带载时的情况图2给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在时刻，即达到u1t2 90峰值时，u2开始以正弦规律下降，此时二极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。 先设达到90后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，uc 的下降速率越来越慢。所以在超过90后的某一点，例如图2中的t2时刻，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器c向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，u2再次超过uc，如图2中的t3时刻，二极管重又导电。 以上过程电容器的放电时间常数为 电容滤波一般负载电流较小，可以满足d较大的条件，所以输出电压波形的放电段比较平缓，纹波较小，输出脉动系数s小，输出平均电压uo(av)大，具有较好的滤波特性。 （a） 电路图 （b）波形图图2 带载时桥式整流滤波电路2升压降压2.1升压： hy3103系列芯片是采用cmos工艺制造的静态电流极低的vfm开关型dc/dc升压转换器。该芯片由振荡器、vfm模式控制电路、lx开关驱动晶体管、基准电压单元、误差比较放大器、电压采样电阻及vlx限幅电路等组成。hy3103系列升压转换器采用变频的方式，因此较国内外同类产品具有更低的纹波、更强的驱动能力、效率高等特点，应用时外围只需接三个元件(电感、电容及二极管各一个)。输入电压最低0.8v,并且可以根据要求调整输出电压3v6v可选。2.2降压 首先使用变压器将220v电压降低已得到所需电压，再根据实际需要对所得到的电压进行升降。可以使用电容降压法得到所需电压。 最简单的电容降压直流供电电路及其等效电路如图1，c1为降压电容，一般为0.333.3uf。假设c1=2uf，其容抗xcl=1/(2pi*fc1)=1592。由于整流管的导通电阻只有几欧姆，稳压管vs的动态电阻为10欧姆左右，限流电阻r1及负载电阻rl一般为100200，而滤波电容一般为100uf1000uf，其容抗非常小，可以忽略。若用r代表除c1以外所有元器件的等效电阻，可以画出图2的交流等效电路。同时满足了xc1r的条件,所以可以画出电压向量图。（1）在使用电源变压器作整流电源时，当电路中各项参数确定以后，输出电压是恒定的，而输出电流id则随负载增减而变化；（2）使用电容降压作整流电路时，由于id=0.62c1,可以看出，id与c1成正比，即c1确定以后，输出电流id是恒定的，而输出直流电压却随负载电阻rl大小不同在一定范围内变化。rl越小输出电压越低，rl越大输出电压也越高。3误差调节利用误差放大器(uc3842)对误差放大，再利用反馈原理对其进行调节3.1uc3842常用的电压反馈电路 3.1.1 输出电压直接分压作为误差放大器的输入如图3所示，输出电压vo经r2及r4分压后作为采样信号，输入uc3842脚2（误差放大器的反向输入端）。误差放大器的正向输入端接uc3842内部的2.5v的基准电压。当采样电压小于2.5v时，误差放大器正向和反向输出端之间的电压差经放大器放大后，调节输出电压，使得uc3842的输出信号的占空比变大，输出电压上升，最终使输出电压稳定在设定的电压值。r3与c1并联构成电流型反馈。 图3 输出电压直接分压采样 这种电路的优点是采样电路简单，缺点是输入电压和输出电压必须共地，不能做到电气隔离。势必引起电源布线的困难，而且电源工作在高频开关状态，容易引起电磁干扰，必然带来电路设计的困难，所以这种方法很少使用。 3.1.2辅助电源输出电压分压 作为误差放大器的输入如图4所示，当输出电压升高时，单端反激式变压器t的辅助绕组上产生的感应电压也升高，该电压经过d2，d3，c15，c14，c13和r15组成的整流、滤波和稳压网络后得到一直流电压，给uc3842供电。同时该电压经r2及r4分压后作为采样电压，送入uc3842的脚2，在与基准电压比较后，经误差放大器放大，使脚6输出脉冲的占空比变小，输出电压下降，达到稳压的目的。同样，当输出电压降低时，使脚6输出脉冲的占空比变大，输出电压上升，最终使输出电压稳定在设定的值。 图4 辅助电源输出电压分压采样 这种电路的优点是采样电路简单，副边绕组、原边绕组和辅助绕组之间没有任何的电气通路，容易布线。缺点是并非从副边绕组直接得到采样电压，稳压效果不好，实验中发现，当电源的负载变化较大时，基本上不能实现稳压。该电路适用于针对某种固定负载的情况。3.1.3采用线性光耦改变误差放大器的输入误差 电压如图5所示，该开关电源的电压采样电路有两路：一是辅助绕组的电压经d1，d2，c1，c2，c3，r9组成的整流、滤波和稳压后得到16v的直流电压给uc3842供电，另外，该电压经r2及r4分压后得到一采样电压，该路采样电压主要反映了直流母线电压的变化；另一路是光电耦合器、三端可调稳压管z和r4，r5，r6，r7，r8组成的电压采样电路，该路电压反映了输出电压的变化；当输出电压升高时，经电阻r7及r8分压后输入z的参考电压也升高，稳压管的稳压值升高，流过光耦中发光二极管的电流减小，流过光耦中的光电三极管的电流也相应的减小，误差放大器的输入反馈电压降低，导致uc3842脚6输出驱动信号的占空比变小，于是输出电压下降，达到稳压的目的。 图5 采用辅助电源采样和光耦采样综合 该电路因为采用了光电耦合器，实现了输出和输入的隔离，弱电和强电的隔离，减少了电磁干扰，抗干扰能力较强，而且是对输出电压采样，有很好的稳压性能。缺点是外接元器件增多，增加了布线的困难，增加了电源的成本。3.2线性光耦改变误差放大器增益电压反馈电路及实验结果,采用线性光耦改变误差放大器的增益 如图6所示，该电压采样及反馈电路由r2，r5，r6，r7，r8，c1，光电耦合器、三端可调稳压管z组成。当输出电压升高时，输出电压经r7及r8分压得到的采样电压（即z的参考电压）也升高，z的稳压值也升高，流过光耦中发光二极管中的电流减小，导致流过光电三极管中的电流减小，相当于c1并联的可变电阻的阻值变大（该等效电阻的阻值受流过发光二极管电流的控制），误差放大器的增益变大，导致uc3842脚6输出驱动信号的占空比变小，输出电压下降，达到稳压的目的。当输出电压降低时，误差放大器的增益变小，输出的开关信号占空比变大，最终使输出电压稳定在设定的值。因为，uc3842的电压反馈输入端脚2接地，所以，误差放大器的输入误差总是固定的，改变的是误差放大器的增益（可将线性光耦中的光电三极管视为一可变电阻），其等效电路图如图7所示。 图6 采用光耦改变误差放大器的增益 图7 改变误差放大器增益的等效电路 该电路通过调节误差放大器的增益而不是调节误差放大器的输入误差来改变误差放大器的输出，从而改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅外接元器件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化。实验证明与上述三种反馈电路相比，该电路具有很好的稳压效果。三、拟解决的关键问题： 1.稳压：有交流电变直流电会有许多毛刺，不够平