课程设计（论文）-AC-DC变化电路.doc

四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告 目录 前言1 1系统方案 2 1.1 AC-DC 变化电路的论证与选择2 1.2 功率因数测量电路的论证与选择3 1.3 过流保护电路方案论证3 2系统理论分析与计算4 2.1 CUK电路的分析4 2.1.1 输出滤波电容的参数计算 4 2.1.3 电流取样电阻的参数计算 5 3电路与程序设计5 3.1 电路的设计5 3.1.1 系统总体框图5 3.1.2 AC-DC 变化单元电路子系统框图与电路原理图5 3.1.3 功率因数检测电路原理图 6 3.1.4 电源7 3.2 程序的设计7 3.2.1 程序功能描述与设计思路 7 3.2.2 程序流程图7 4测试方案与测试结果8 4.1 测试方案8 4.2 测试条件与仪器8 4.3 测试结果及分析8 4.3.1 测试结果(数据)8 4.3.2 测试分析与结论9 附录 1：电路原理图10 附录 2：源程序11 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 0 前言 随着电力电子技术的高速发展，电源技术被广泛应用于计算机，工业仪器仪表，军 事，航天等领域，涉及到国民经济各行各业。特别是近几年，随着 IGBT 的广泛运用， 开关电源向更大功率方向发展。研究各种各样的大功率，高性能的开关电源成为趋势。 生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越 高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标， 为搭载火箭开发了开关电源。在近半 个多世纪的发展过程中，开关电源因体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等 优点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 1 1系统方案 本系统主要由升降压模块、功率因数检测模块、单片机最小系统模块、过流保护模 块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.11.1 AC-DCAC-DC 变化电路的论证与选择变化电路的论证与选择 引言：由于题目要求在 Io=2A，Us 在 20V30V 范围变化时，电压调整率小于 0.5%，所以需要一个升降压电路，使得输出电压稳定。方案论证： 方案 1：Buck-Boost 极性反转电路。这种拓扑结构的电路能够输出与输入相反的、 可以比输入电压更高或者更低的电压，并且整体的效率也很高。但缺点也很明显：一就 是极性相反，当输入电压是正压且要求输出也是正的时候，我们还要对输出电压进行反 向，这就是一件很麻烦的事；但是，有时我们需要的就是负压的时候，这个缺点又会有 一种很大的用处。缺点二就是，这种拓扑结构电路的电流脉动值很大，输出滤波不好处 理。 方案 2：Sepic-Flyback 电路。反激变换器实际上是在 Buck-Boost 变换器中插入隔离 变压器而得到的。传统反激电路通常工作在占空比为 0.5 以下，若占空比大于 0.5，一 方面是要克服占空比大于 0.5 引起的次谐波振荡问题；另一方面，占空比继续增大无疑 要增大气隙加大电感量，增加了变压器的铁损，或者说降低了频率，变压器磁芯处于直 流偏磁状态。为防止磁芯饱和，需加大气隙，因此漏感较大。输出中有较大的纹波电压， 效率不高，且不能空载运行。 方案 3：非隔离式开关电源。利用 CUK 电路，实现电压的升降，电压电流的纹波 系数小，采用 PWM 控制，方便简单，效果也好。但是需要选择合适的开关管。在本设 计中，输出电压为 36V。开关管最大实际漏极电流为 3.6A。考虑到实际电流尖峰和冲击。 电压电流的耐量取 1.5 和 2 倍裕量。故开关管最大耐压应大于 54V，最大导通电流应大 于 7.2A。基于上述要求。本设计采用 Vds=55V，Id=110A，Rds=8.0m 的 MOSFET 管 IRF3205。这完全满足设计要求。由于本电路采用 CUK 拓扑结构，因此续流二极管的选 择非常重要。在电路中受输出大电容的影响，续流二极管应满足最大整流电流大于 7A，最大反向电压大于 54V，受储能电感及开关管的影响，续流二极管的反向恢复时间 要尽量小。鉴于此要求，本设计采用 MOSEFT 中的反向快恢复二极管作为续流二极管， 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 2 它的反 由于本电路采用 BOOST 拓扑结构，因此续流二极管的选择非常重要。在电 路中受输出大电容的影响，续流二极管应满足最大整流电流大于 12A，最大反向电压大 于 72V，受储能电感及开关管的影响，续流二极管的反向恢复时间要尽量小。鉴于此要 求，本设计采用 MOSEFT 中的反向快恢复二极管作为续流二极管，它的反向恢复时间 完全达到设计要求，实际使用效果不错。方案选定：综上所述，选择方案三。 1.21.2 功率因数测量电路的论证与选择功率因数测量电路的论证与选择 引言：功率因数是有功功率与视在功率之比，在交流电路中，电压与电流之间的相 位差()的余弦叫做功率因数，用符号 cos 表示，在数值上，功率因数是有功功率和 视在功率的比值，即 cos=P/S。功率因数的大小与电路的负荷性质有关。采取并联电 容器等补偿无功功率的措施，以提高功率因数。方案论证： 方案 1：测量全阻抗法。测量全阻抗法是在冲击变压器的一次侧施加一低电压，用 电压表、电流表和瓦特表直接测量功率因数。测量时，外施低电压电源的电压应尽可能 高，以消除附加的测量误差。该方法实质上忽略了电网部分的阻抗，只适用于电网短路 容量与试验容量之比大于 10 的情况。 方案 2：相角差法：相角差法是通过测定电源的空载电压与电流的周期分量之间的 相角差来确定功率因数。该方法的优点是电路的功率因数在很大的范围内都能测量；缺 点是未计入电网部分的阻抗对功率因数的影响，所测得的功率因数不是全电路功率因数。 但是如果电网短路容量比试验容量大 10 倍以上，该影响可以忽略不计 方案 3：冲击系数法。冲击系数法与直流分量法相同，都是利用电路闭合初始过程 中电流呈现不对称这一特性。冲击系数法适用于 cos 值较小的情况。方案选定：综上所 述，我们选择了第三种方案 1.31.3 过流保护电路方案论证过流保护电路方案论证 引言：很多电子设备都有个额定电流，不允许超过额定电流，不然会烧坏设备。所 以有些设备就做了电流保护模块。当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设 备。方案论证： 方案 1：熔断丝就是保险丝，当电流过大，而熔断丝的电阻大，所以产生的热量就 很大，温度大使熔断丝熔断，就可以保护电路 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 3 方案 2：过流保护用 PTC 热敏电阻通过其阻值突变限制整个线路中的消耗来减少残 余电流值。可取代传统的保险丝，广泛用于马达、变压器、开关电源、电子线路等的过 流过热保护，传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复， 而过流保护用 PTC 热敏电阻 在故障撤除后即可恢复到预保护状态，当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功 能 方案 3：555 集成时基电路是一种新颖的、多用途的模拟集成电路，有 LM555，RCA555，5G1555 等，其基本性能都是相同的，用它组成的延时电路、单稳态 振荡器、多谐振荡器及各种脉冲调制电路，用途十分广泛，也可用于直接变换器的控制 电路。方案选定：比较了开关电源中所使用的各种过流保护方法，可以说，几乎没有一 种过流保护方式是万能的，只有用 555 的保护方式性能价格比是较好的。一般来说，选 择何种过流保护方式，都要结合具体的电路变换模式而做出相应的选择。只有经过认真 的分析，大量的实验才能找到最适合的过流保护方式。保护方式设计的合理、有效，意 味着产品的可靠性才可能更高。 2系统理论分析与计算 2.12.1 cukcuk 电路的分析电路的分析 2.1.12.1.1 输出滤波电容的参数计算输出滤波电容的参数计算 实际采用的是 2.2uf 2.1.2 输出电容的参数计算 实际采用的是 3300uf 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 4 2.1.32.1.3 电流取样电阻的参数计算电流取样电阻的参数计算 3电路与程序设计 3.13.1 电路的设计电路的设计 3.1.13.1.1 系统总体框图系统总体框图 图 1 系统总体框图 3.1.23.1.2 AC-DCAC-DC 变化单元电路子系统框图与电路原理图变化单元电路子系统框图与电路原理图 1、AC-DC 变化单元电路子系统框图 图 2 AC-DC 变化单元电路子系统框图 2、AC-DC 变化单元电路子系统电路 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 5 图 3 AC-DC 变化单元电路子系统电路 3.1.33.1.3 功率因数检测电路原理图功率因数检测电路原理图 图 4 功率因数检测子系统电路 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 6 3.1.43.1.4 电源电源 电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V 或者3.3V 电 压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作 详述。 3.23.2 程序的设计程序的设计 3.2.13.2.1 程序功能描述与设计思路程序功能描述与设计思路 根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。 1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。 2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。 3.2.23.2.2 程序流程图程序流程图 1、主程序流程图 图 6 程序流程图 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 7 4测试方案与测试结果 4.14.1 测试方案测试方案 1、硬件测试 2、硬件软件联调 4.24.2 测试条件与仪器测试条件与仪器 测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查 无误，硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式 万用表。 4.34.3 测试结果及分析测试结果及分析 4.3.14.3.1 测试结果测试结果( (数据数据) ) 200V 档信号测试结果好下表所示： （单位/V） 电压调整率测试 测试次数123456 输入电压 （V） 2022242628 30 输出电压 （V） 35.9335.9436.0136.0536.12 36.23 根据相关公式可计算出电压调整率： 负载调整率测试 测试次数1234 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 8 输入电流 （A） 0.20.51.02.0 输出电压 （V） 36.0036.0036.0136.02 由上表可根据以下公式求得负载调整率： 4.3.24.3.2 测试分析与结论测试分析与结论 根据上述测试数据，由此可以得出以下结论： 1、当 Us=24，Io 在 0.2A2.0A 范围变化时，负载调整率达到了 0.83% 2、当 Io=2A，Us 在 20V30V 范围变化时，电压调整率达到了 0.55% 3、Us=24V,Io=2A,Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路效率达到了 95% 4、Us=24V,Io=2A,Uo=36V 条件下，AC-DC 变换电路效率达到了 95% 综上所述，本设计达到设计要求。 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 9 附录 1：电路原理图 图 7 单片机最小系统 图 8 AC-DA 模块 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 10 附录 2：源程序 #include /包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义 #include #include lcd_disp.h #include LCD1602.h #include DAC.h #include ADS.h #include KEY.H #include pwm.h float Rs=0.35; unsigned int DAvref=662; unsigned int ADvref=1325; unsigned int DAcode; unsigned int ADcode; / unsigned int a=1500; /PWM 时间 int x=0;/AD 采样电压 float R=510.35;/总电阻 float R1=510; float R2=0.35; int Ip=200; / 预设电流值 int Ir=200;/ 实际电流值 int XN=1; / 预设倍率 unsigned long SysClok; void test(void) static int Ip1=0; Ip1=Ip/10; if(IpIr) if(Ip-Ir)Ip1) DAcode+=1; if(IpIp1) DAcode-=1; 四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告 11 int main (void) SysCtlLDOSet(SYSCTL_LDO_2_75V); / 配置 PLL 前须将 LDO 设 为 2.75V SysCtlClockSet(SYSCTL_USE_PLL | / 系统时钟设置，采用 PLL SYSCTL_OSC_MAIN | / 主振荡器 SYSCTL_XTAL_6MHZ | / 外接 6MHz 晶振 SYSCTL_SYSDIV_4);