高功率因数多重控制程控电源的研究---可复制黏贴 优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文 高功率因数多重控制 程控电源的研究 作者 姚志树 指导教师 陈劲操教授 南京理工大学 2 0 1 0 年7 月 m s c d i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho nh i g hp o w e rf a c t o ra n d m u l t i p l ec o n t r o lp o w e rs u p p l y b y y a oz h is h u s u p e r v i s e db yp r o f c h e nj i n c a o n 删i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y j u l y 2 0 1 0 6舢8 3舢9m 9 1洲y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本学 位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明 研究生签名 如 口年 2 月i z 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送交并授权 其保存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对于保密论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 3 o i 年 钥 汨 工程硕士学位论文 高功率因数多重控制程控电源的研究 摘要 直流稳压电源是一种常见的电子仪器 广泛地应用于实验教学和科学研究等领域 中 目前常见的直流稳压电源 大都采用串联反馈式稳压原理 通过调整输出端取样 电阻支路中的电位器来调整输出电压 这样就使得目前使用的大部分直流稳压电源存 在诸多缺点 如输出不可调 电压不稳定等等 因而导致实验结果不精确 另外直流 电源一般是由电网的交流电经整流 滤波 稳压来实现的 这样不可避免的使得功率 因数比较低 因而导致其它实验仪器工作不稳定 利用单片机控制来实现稳压电源 主要突出单片机的灵活控制 稳压元件采用集成稳压器 并且加入功率因数校正功能 有较强的实用价值 开关电源具有效率高 稳压范围宽 体积小 重量轻 安全可靠 噪声低等优点 论文首先分析p w m 控制芯片s g 3 5 2 5 的传统控制方案 并在其基础上结合 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机制设计出一款输出可调的智能稳压开关电源 电路简单 价格低廉 性能卓越 电源系统还包含键盘及液晶显示屏等模块组成 该系统实现了输出最大电 流为2 a 输出电压为3 0 v 3 6 v 范围内可调 步迸为l v 用自恢复稳压管实现过流 保护功能 电流值 电压值都通过金鹏公司的液晶屏0 c m j 4 8 c 显示 利用单片机设 置周密的保护监测系统 确保电源运行可靠 用户界面友好 操作简单快捷 该电源 除具有传统的开关电源稳定性好 效率高 响应速度快等优点 还可以对输出电压进 行键盘设定和步进调整 并且有很强的带负载能力 稳定性好 可靠性高等特点 非 常适合在教学实验仪器等非专用电源场合使用 是对实际应用中的稳压电源的进一步 改进 有比较广阔的应用和发展前景 关键词 直流稳压电源 输出可调 c 8 0 5 1 f 0 2 0 s g 3 5 2 5 工程硕士学位论文 a b s t r a c t d cp o w e rs u p p l yi sac o m m o ne l e c t r o n i cd e v i c e s w i d e l yu s e di ne x p e r i m e n t a lt e a c h i n g a n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hf i e l d s c o m m o nd cp o w e r s u p p l yc u r r e n t m o s tw i t hs e r i e sf e e d b a c k r e g u l a t o rt h e o r y b ya d j u s t i n gt h eo u t p u ts a m p l i n gr e s i s t o rb r a n c hi nt h ep o t e n t i o m e t e rt o a d j u s tt h eo u t p u tv o l t a g e t h i sm a k e st h em o s to ft h ec u r r e n td cp o w e rs u p p l yh a sm a n y d i s a d v a n t a g e s s u c ha st h eo u t p u ti sn o ta d j u s t a b l e v o l t a g ei n s t a b i l i t y a n dt h u sl e a dt o i n a c c u r a t er e s u l t s a n o t h e rd cp o w e ri sn o r m a l l yp r o v i d e db yt h ea c p o w e rr e c t i f i e r f i l t e r r e g u l a t o rt oa c h i e v e s ot h a tm a k e st h e i n e v i t a b l ep o w e rf a c t o ri sl o w l e a d i n gt oj o b i n s e c u r i t yo fo t h e rl a b o r a t o r yi n s t r u m e n t s u s i n gs c mt oa c h i e v ep o w e rs u p p l y t h em a i n h i g h l i g h tt h ef l e x i b l ec o n t r o lo fm i c r o c o n t r o l l c r v o l t a g er e g u l a t o rw i t hi n t e g r a t e dv o l t a g e r e g u l a t o rc o m p o n e n t s a n da d d i n gp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t h e r ea r es t r o n gp r a c t i c a lv a l u e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw i t hh i g he f f i c i e n c y 晰d ev o l t a g er a n g e s m a l ls i z e l i g h tw e i g h t s a f e r e l i a b l e a n dl o wn o i s e p a p e rf k s ta n a l y z e st r a d i t i o n a ls g 3 5 2 5p w mc o n t r o lc h i pc o n t r o ls c h e m e b a s e do n t h ec o m b i n a t i o ni ni t sc 8 0 51 f 0 2 0m c us y s t e md e s i g nas m a r tr e g u l a t o r i 1a d j u s t a b l e o u t p u ts w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i ti ss i m p l e l o wc o s ta n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e p o w e r s y s t e ma l s oi n c l u d e sak e y b o a r da n dl c dd i s p l a ys c r e e nm o d u l e t h es y s t e mr e a l i z e st h e m a x i m u m o u t p u tc u r r e n ti s2 八3 0 v 一3 6 vo u t p u tv o l t a g er a n g ea d j u s t a b l e s t e pt o1 v s i n c et h er e c o v e r ya c h i e v e dw i t ht h er e g u l a t o ro v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n c u r r e n tv a l u e v o l t a g ev a l u eo ft h ec o m p a n yt h r o u g hj i n p e n go c m j 4 8 cl c dd i s p l a y c a r e f u lu s eo f s i n g l ec h i ps e tp r o t e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mt oe n s u r er e l i a b l ep o w e rs u p p l y u s e rf r i e n d l y i n t e r f a c e s i m p l ea n dq u i c ko p e r a t i o n i na d d i t i o nt ot h ep o w e rs u p p l ys w i t c h i n gp o w e r s u p p l yh a sat r a d i t i o no fg o o ds t a b i l i t y h i g he f f i c i e n c y f a s tr e s p o n s e a n da l s oc a ns e tt h e o u t p u tv o l t a g ea n ds t e p p i n gd i a o z h e n gk e y b o a r d a n da r eh i g h l yl o a d i n gc a p a b i l i t y g o o d s t a b i l i t y r e l i a b i l i t ya d v a n c e df e a t u r e s v e 巧s u i t a b l ef o rt h et e a c h i n gl a b o r a t o r yi n s t r u m e n t s 工程硕士学位论文高功率因数多重控制程控电源的研究 摘要 a b s t r a c t 目录 i 1 绪论 1 1 1 弓l 言 1 1 2 开关电源的发展 1 1 2 1 开关电源的技术发展 2 1 2 2 程控开关电源的技术发展 3 1 3 功率因数校正 p f c 技术 一5 1 3 1 功率因数校正的定义 5 1 3 2 功率因数校正的方法 5 l 3 3 功率因数校正技术的发展方向 6 1 4 本文研究内容 7 2 系统方案论证 8 2 1 系统设计要求 一8 2 2 系统总体结构 8 2 3 本章小结 1 0 3 程控开关电源的设计 3 1 调节原理及控制方案 1 1 3 1 1s g 3 5 2 5 内部逻辑电路结构分析 1 l 3 1 2s g 3 5 2 5 和单片机多重控制方案 1 4 3 2 硬件设计与参数计算 1 5 3 2 1d c d c 变换电路设计及器件的参数计算 15 3 2 2 主变压器的选择 2 0 3 2 3 控制电路设计 一2 2 3 3 软件设计 3 4 3 4 实验结果 3 5 3 5 本章小结 3 6 4 开关电源功率因数校正电路的设计 4 3 4 1 功率因数校正控制芯片的选择 4 3 4 1 1u c c 3 8 1 7 a 的功能简介 一4 3 4 1 2u c c 3 817 a 引脚功能介绍 4 4 i i i 目录 工程硕士学位论文 4 2 功率因数校正电路设计 4 6 4 2 1a p f c 功率级电路的设计 4 6 4 2 2a p f c 级控制环路的设计 4 8 4 2 3 其它电路说明 5 2 4 4 仿真结果和分析 5 3 4 4 1 仿真软件介绍 5 3 4 4 2 功率因数校正电路仿真模型的建立 5 4 4 4 3 仿真结果 5 5 4 5 本章小结 5 6 5 实验研究 5 9 5 1 程控电源部分的调试 5 9 5 2 功率因数校正部分的调试 6 0 5 3 本章小结 6 1 6 结论与展望 6 1 结论 6 2 6 2 展望 6 2 致谢 参考文献 附录 i v 工程硕士学位论文 高功率因数多重控制程控电源的研究 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 17 图3 18 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图 表清单 开关电源的基本结构框图 2 可变采样的程控电源控制原理框图 4 可变基准的程控电源控制原理框图 4 a p f c 工作原理图 6 系统基本结构图 8 电源系统原理方框图 1 0 s g 3 5 2 5 内部原理图 1 1 p w m 产生原理 1 2 s g 3 5 2 5 关键点时序波形 1 3 3 5 2 5 传统控制框图 1 4 修改过的3 5 2 5 控制框图 1 4 升降压电路的主电路图 l5 b o o s t 电路的主电路图 1 6 原理框图 1 6 升压电路基本电路图 1 6 充电过程 17 放电过程 17 电路电流波形 18 d c d c 主变换电路 18 c 8 0 51 f 0 2 0 引脚图 2 2 c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部原理图 2 3 电源电路 2 4 复位电路 2 5 l c d 接口电路 2 6 外部晶振电路 2 6 电压信号转化为脉冲宽度信号 一2 7 s g 35 2 5 引脚图 2 7 s g 35 2 5 的外围电路 3 0 信号采样网络 3 1 电压采样电路 31 电流采样电路 31 v 图 表清单工程硕士学位论文 v i 过流保护电路 3 2 4 4 矩阵键盘 3 3 程序流程框图 3 5 仿真电路图 3 6 电流电压波形图 3 6 u c c 3 8 1 7 a 的工作框图 3 8 u c c 3 8 1 7 a 的引脚排列 3 8 电压控制环路的补偿电路原理 一4 3 电流控制环路的补偿电路 4 5 u c c 3 8 1 7 a 的电流放大器电路原理框图 4 5 整流滤波及稳压电路 4 7 u c c 3 8 1 7 a 构成的功率因数校正电路 4 7 主电路的仿真模型 4 8 控制电路的仿真模型 4 9 功率因数计算模型 4 9 输入电压电流波形 没有p f c 时 5 0 输入电压电流波形 有p f c 时 5 0 功率开关管的驱动波形 5 1 输出5 v 时的电压波形 51 输出12 v 时的电压波形 5 2 输出2 0 v 时的电压波形 一5 2 输出3 0 v 时的电压波形 5 2 3 8 1 7 a 输出p w m 波形图 5 3 3 8 1 7 a 产生的锯齿波波形图 5 3 输入电流和输入电压波形 5 3 c a t l 0 2 5 引脚功能 2 5 o c m j 4 x 8 c 引脚说明 3 4 6 7 8 9 0 了 2 铴湖蚴珊瑚 记私钳私私钾镪钮川伽三 勉 钳 铋 地 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图表表 工程硕士学位论文 高功率因数多重控制程控电源的研究 1 绪论 1 1 引言 随着电子技术的迅速发展 应用电子系统的领域越来越广泛 电子设备的种类也 越来越庞大 电子设备的小型化和低成本化使得电源向轻 薄 小和高效率方向发展 电源是电子设备产品的一个重要组成 电源质量直接影响电子设备的性能 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 电源一般分为线性电源 l i n e a rp o w e rs u p p l y 和开关电源 s w i f i c h i n gp o w e r s u p p l y 两种 从线性电源到开关电源是电源发展史上的一个质的飞跃 线性电源是先将交流市电经过变压器降压 再经过整流电路整流后 得到脉冲直 流电 后经滤波电路得到带有微小波纹电压的直流电压 要达到高精度的直流电压 必须经过稳压电路进行稳压 线性电源的电压反馈电路是一直工作在线性状态 而开关电源中用于电压调整的 管子一般工作在饱和区或截至区即开 关状态 线性电源一般是先对输出电压取样然后与给定参考电压一起送入电压比较器 此 电压比较器的输出作为功率管的输入 用以控制功率管使其结电压随其输入的变化而 变化 从而达到调整输出电压的目的 但开关电源是通过改变功率管的通断时间即占 空比来改变输出电压的 从两种电源的主要特点来看 线性电源技术已经成熟 制作成本也比较低 能达 到很高的稳定度 波纹也可以较小 而且相对于开关电源来说抗干扰能力强和噪音小 但其体积相对开关电源来说 比较庞大 且输入电压范围要求比较高 而开关电源与 之相反 目前 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 由于 其高效节能 可带来巨大经济效益 因而引起社会各方面的重视并得到迅速推广 1 2 开关电源的发展 我们目前应用的一般都是串联调整稳压电源 也就是连续控制的线性稳压电源 这种传统稳压电源技术已经很成熟 并且各大公司都推出大量集成化的可以满足各种 需要的线性稳压电源模块 它们具有非常好的稳定性能 很小的输出纹波电压 使用 也非常可靠 但这通常都需要有体积庞大的工频变压器来起到隔离之用 滤波电路的 体积和重量也非常壮观 另外其调整管一直处于工作状态 为了保证输出的电压有一 定的稳定范围 调整管上必须保有一定余量的电压降 这就导致调整管的功耗较大 1 绪论 工程硕士学位论文 因而电源效率很低 一般只有4 5 左右 还由于调整管的功耗较大 所以必修选用功 率较大的调整管并配有散热器 很与电子设备发展的要求不吻合 从而促进了高效率 体积小 重量轻的开关电源的迅速发展 1 2 1 开关电源的技术发展 开关电源是利用现代电力电子技术 采用功率半导体器件作为开关 通过控制开 关晶体管开通和关断的时间比率 占空比 调整输出电压 维持输出稳定的一种电源 开关电源的基本工作原理如图1 1 所示 早在2 0 世纪8 0 年代计算机电源全面实现了开 关电源化 率先完成计算机电源换代 进入9 0 年代开关电源已广泛应用在各种电子 电器设备 程控交换机 通讯 电力检测设备电源和控制设备电源之中 开关电源一 般由脉冲宽度调制 p w m 控制i c 和m o s f e t 构成 开关电源和线性电源相比 两 者的成本都随着输出功率的增加而增长 但两者增长速率各异 线性电源成本在某一 输出功率点上 反而高于开关电源 这一点称为成本反转点 随着电力电子技术的发 展和创新 使的开关电源技术也不断的创新 这一成本反转点日益向低输出电力端移 动 从而为开关电源提供了广阔的发展空间 市 图1 1 开关电源的基本结构框图 开关电源高频化使其发展的方向 高频化使开关电源小型化 并使开关电源更进 入更广泛的应用领域 特别是在高新技术领域的应用 推动了高技术产品的小型化 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方面都具有重 要的意义 开关电源的发展方向是高频 高可靠 低耗 低噪声 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 因此国外各在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 m n z n 材料上加大科技创新 以提高在高频率和较大磁通密度 b s 下获得高的磁性能 而 电容器的小型化也是一项关键技术 s m t 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 小保开关电源的高频化就必 统的p w m 开关技术进行创新 实现z v s z c s 的软开关技术己成为开关电源 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 2 工程硕士学位论文 高功率因数多重控制程控电源的研究 商通过降低运行电流 降低结温等措旖以减少器件的应力 使得产品的可靠性大大提 高 模块化是开关电源发展的总体趋势 可以用模块化电源组成分布式电源系统 可 以设计成n 1 冗余电源系统 并实现并联方式的容量扩展 针对开关电源运行噪声大 这一缺点 若单独追求高频化 其噪声也必将随着增大 而用部分谐振转换电路技术 在理论上即可实现高频化又可降低噪声 但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术 问题 故仍需在这一领域开展大量的工作 使得多项技术得以实用化 电力电子技术 的不断创新 开关电源产业有着广阔的发展前景 要加快我国开关电源产业的发展速 度就必须走技术创新之路 走出有中国特色的产学研联合发展之路 为我国国民经济 的高速发展做出贡献 开关电源以其效率高 功率密度高而在电源领域中占主导地位 但传统的开关电 源存在一个致命的弱点 功率因数低 一般为0 4 5 0 7 5 而且其无功分量基本上为高 次谐波 其中三次谐波幅度约为基波幅度的9 5 五次谐波幅度约为基波幅度的7 0 七次谐波幅度约为基波幅度的4 5 九次谐波幅度约为基波幅度的2 5 大量高次谐 波电流倒灌回电网 对电网造成严重的污染 其主要的危害是 供电质量下降 供电 系统的容量下降 约为额定容量的4 0 中线电流增加 功率因数下降 约为0 6 0 7 为此 i e c 国际电工委员会 制定了限制高次谐波的国际标准 最新标准为 i e c l 0 0 0 3 2 d 类 美国 日本 欧洲等发达国家已制定了相应标准 并强制执行 对 于不满足谐波标准的开关电源不允许上电网 我国也制定了相应标准 因此提高开关 电源输入端的功率因数 抑制电流谐波是势在必行的事 l 书 1 2 2 程控开关电源的技术发展 随着工业技术的发展 人们发现越来越多的场合需要选用的电源电压等级非单一 性 如果每个电压等级就设计一款电源 这势必就是一种浪费 与目前的低碳生活相 违背 这样就应运而生程控电源 它指的是将具有强大运算处理功能的计算机作为电 源系统的控制和数据运算处理核心 使得电源系统按照事先设计好的程序和数据 自 动输出想要的电压和电流 并使其稳定在给定数值上的一种电源装置 与一般普通电 源相比 程控电源具有以下特点 a 进一步提高了电源系统的性能 电源系统采用微处理器控制后 大大提高了控 制精度以及输出电压电流的调节灵敏度 控制速度和动态相应得到加快 而且可以通 过微处理器进行必要的非线性补偿 器控制 硬件电路基本 同场合的要求 由于用 3 1 绪论 工程硕士学位论文 c 使电源装置的可靠性得到很大提高 为电源装置的制造和后期维修提供了方便 程控电源作为电源产业发展的一个新的分支 具有非常广泛的应用前景 不仅是 作为学校实验室以及科研单位的通用电源 另外还在生产设备 医疗设备及军工设备 等领域有所应用 特别是在工业生产和实验研究等领域中有着重要的作用 程控电源技术的发展是建立在电源技术和微机技术的发展基础上 它的发展与应 用 使得整个电子系统向小型化和微型化发展 给电源技术的发展提供了新思路 从程控电源产生稳定输出的电路形式来看 大致控制方式可以分为两种 可变采 样的程控方式和可变基准的程控方式 5 1 2 1 改变采样程控方式的控制原理方框图如图1 2 所示 它的输出电压 电流 大小调 整是通过改变外部给定控制电压来控制采样电路的输出 然后再采样电路的输出与基 准电压送给误差放大器进行比较 根据误差放大器的输出控制开关电源稳压电路主回 路 改变基准程控电源的控制原理方框图如图1 3 所示 它的输出电压 电流 大小调 整是通过调节外部控制电压以达到控制电源基准电压的大小 将基准电压与采样电压 一起送给误差放大器比较后 得出的误差电压对电源主回路进行输出电压控制 4 市 市 给 图1 2 可变采样的程控电源控制原理框图 图1 3 可变基准的程控电源控制原理框图 制 工程硕士学位论文高功率因数多重控制程控电源的研究 1 3 功率因数校正 p f c 技术 1 3 1 功率因数校正的定义 功率因数p f p o w e rf a c t o r 是指交流输入有功功率p 与视在功率s 的比值 用 公式 1 1 表示为 p f 一p u i l lc o s 巾 一1 1c o s t 丫c o s 巾 1 1 s u i i r ir li 式中 丫 输入电流的波形畸变因数 最 电网电流有效值 五 基波电流有效值 矾 基波电压有效值 c o s 基波电流与基波电压的位移因数 可见 功率因数由输入电流的波形畸变因数丫以及基波电压和基波电流的位移因 数c o s m 决定 c o s 越小 则设备的无功功率越大 设备利用率越低 导线和变压器 绕组的损耗越大 丫越小 表示设备输入电流谐波分量越大 将造成电流波形畸变 对电网造成污染 使功率因数降低 严重时会造成电子设备损坏 综上所述 只要设 法抑制输入电流中的谐波分量 通过电路方法 将输入电流波形校正为或无限接近正 弦波 即可实现功率因数校正 1 3 2 功率因数校正的方法 从不同的角度看 功率因数校正 p f c 技术有不同分类方法 从电网供电方式可 分为单相p f c 电路相三相p f c 电路 从采用的校正机理看 可分为无源功率因数校正 p p f c 和有源功率因数校正 a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 简称a p f c 两种 无源功率因数校正技术 p p f c 出现最早 通常由大容量的电感 电容组成 它 只是针对电源的整体负载特性表现 在开关整流器的交流输入端加入电感量很大的低 频电感 以减小滤波电容充电电流尖峰 由于加入的电感体积大 增加了开关整流器 的体积 此方法虽然简单 但效果不很理想 适于应用到重量体积不受限制的小型设 备 有源功率因数校正 a p f c 是用一个转换器串入整流滤波电路与d c d c 转换器 之间 基本原理如图1 4 所示 通过特殊的控制强迫输入电流跟随输入电压 反馈输 出电压使之稳定 从而使d c d c 转换器的输入实现预稳 这种方法的特点是控制复杂 但体积大大减小 设计也易优化 从而进一步提高了性能 由于这个方案中应用了有 源器件 故称为有源功率因数校正 a p f c 5 l 绪论工程硕士学位论文 斟 l 图1 4a p f c 工作原理图 从原理图来看 a p f c 基本电路就是一种开关电源 但它与传统的开关电源的区别 在于 d c d c 变换之前没有滤波电容 电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压 这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测 与监控 其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1 1 3 1 1 3 3 功率因数校正技术的发展方向 功率因数校正的目的就是采用一定的控制方法 使电源的输入电流跟随输入电压 从而使功率因数接近于1 传统上 模拟控制在开关电源应用中占据了主导地位 随着 高速度 廉价的微处理器的出现 在开关电源中采用数字控制技术已成为发展的趋势 数字p f c 升压转换器在交流电压输入端产生与其同相位的非正弦波电流 通过对非正 弦波电流的整形 即控制电流峰值及上升沿和下降沿的时间及幅度 能使电流谐波含 量低于标准规定限值 同样能使电流谐波满足i e c l 0 0 0 3 2 或e n 6 1 0 0 3 2 等标准的 要求 使线路功率因数达0 9 9 以上 开关电源的模拟控制技术发展了很多年 各方面都比较成熟 但却无法克服其固 有的缺点 控制电路复杂 元器件比较多 不利于小型化的发展 控制电路一旦成型 很难修改 调试不方便 控制不灵活 复杂的控制方法用模拟的方法很难实现 与传统的模拟控制器相比 数字控制器具有更高的可靠性 数字控制器使用非常 少的模拟元器件 可以增加系统的平均无故障工作时间 m t b f 还可以通过增加监 视 保护和预警等功能提高系统的工作可靠性 数字控制器较传统的模拟控制器在设计上具有更高的灵活性 传统的模拟控制器 是通过调节和改变具体元件的参数值来实现不同的控制规律 这样不可避免地会造成 许多资源上的浪费 而且设计周期比较长 而数字控制器只需通过软件编程就可以修 改控制规律 还可以及时通过仿真验证 使得对设计工作变得相当灵活 当电源具体 的性能要求改变时 为了修改控制规律 对于模拟控制器来说 需要重新设计电路 刻板或布线 而对于数字控制器 则可通过编程来增加 删除和修改任何控制参数 从而极大地缩短了设计周期 数字控制器易于实现与其它数字设备之间的接口 从而具有较好的兼容性 在诸 6 工程硕士学位论文高功率因数多重控制程控电源的研究 多产品中 便携数字设备 如p d a 无线电话 笔记本电脑 数码相机等 对开关电 源的要求日益提高 如多级输出 节约功耗 运行模式 电磁兼容等问题 鉴于数字控制器的上述卓越优点 数字控制器在电力电子应用领域中大有取代模 拟控制器的趋势 然而 在高频开关电源领域中 由a d c 数字补偿器和d p w m 三 大结构单元组成的数字控制器 要获得可以与模拟控制器相比拟的性价比 必须同时 具备快速 可靠的硬件结构和简单 有效的控制算法 用于开关电源的数字控制器已 经在电力电子领域中引起了越来越多的关注 1 4 1 4 本文研究内容 常用的开关电源 一般都是由市电电网2 2 0 v 的交流电供电的 市电2 2 0 v 交流电 经过整流和大电容滤波 得到一个较为平滑的直流电压后 向d c d c 转换器提供一个 直流电源电压u 以供转换器进行d c d c 电压转换 整流一大电容滤波电路是一种非线 性元件和储能元件的组合 因此 虽然输入交流市电电压是正弦的 但输入交流电流 的波形却发生了严重的畸变 由此可知 电容滤波的整流电路 会使市电电网输入电 流产生严重畸变的非正弦 窄脉冲 电流 使开关电源的输入功率因数下降 因此 在整流器设计中 认真设计好功率因数校正电路是至关重要的 论文的主要工作如下 1 研究开关电源的基础理论 包括开关电源基本结构组成 工作过程和控制方式 着重研究s g 3 5 2 5p w m 控制芯片的工作原理 并在此基础上结合单片机技术提出一种 输出可调的多重控制程控开关电源方案 2 研究有源功率因数校正技术 对不同的功率因数校正芯片进行分析比较 重点 研究u c c 3 8 1 7 a 芯片的控制原理和工作过程 3 将功率因数校正和程控电源技术相结合 提出一款高功率因数多重控制的程控 电源方案 使用仿真软件m a t l a b 分别都两个模块进行建模 仿真 分析研究仿真 结果 4 制作原理样机 包括硬件设计和软件设计 硬件方面包括开关电源的d c d c 主 电路 控制电路 采样电路 驱动 保护电路等 软件方面主要是基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片 机的程序设计 5 完成系统样机的制作并对其性能进行测试 并对实验结果进行分析 7 2 系统方案论证 工程硕士学位论文 2 系统方案论证 2 1 系统设计要求 具体要求如下 1 交流市电输入 输出电压范围0 3 6 v 输出最大电流为2 a 2 可以随意设置输出电压值 输出电压有键盘设定和步进调整两种模式 步 进值1 v 3 电路电流超限时 系统能够自动实现过流保护功能 4 具有输出电压 电流的测量和数字显示功能 5 功率因数 0 9 9 2 2 系统总体结构 由开关电源的基本组成结合课题设计的基本要求 我们可以得出本系统主要由两 个大部分组成 1 5 主电路 控制电路 主电路主要包括输入整流滤波 功率因数校正 d c d c 变换电路 高频变压器 输出滤波电路 控制电路主要由采样电路 控制和保 护单元 监控单元等组成 并为了保证控制电路及相关电路正常工作还必须包括辅助 电源 系统基本结构图如图2 1 所示 丰电略 市电 控制电路 图2 1 系统基本结构图 基本工作过程 市电经整流滤波和功率因数校正后得到高压直流电 然后通过 d c d c 变换电路得到所需要的直流电压 控制回路从输出端取样并与设定基准进行比 较 然后去控制d c d c 变换电路 改变功率开关管的导通频率或导通 截止时间进行 输出稳定 另一方面 根据检测电路提供的数据 经保护电路鉴别 利用控制电路对 整机进行各种保护 控制电路是整个开关电源的核心部分 一般开关电源的控 主要有检测比较放大电路 电压一脉冲宽度转换电路 或电压一频率转化电路 振荡器 或恒脉宽发生器 基极驱动电路 过压过流保护电路以及辅助电源等 成 存在着电路复杂 功耗大 灵敏度差 不能实现很好的控制等缺点 8 工程硕士学位论文 高功率因数多重控制程控电源的研究 采用单片机组成的控制电路模块 它具有可编程 功能强 控制简单 集成度高 等诸多优点 并对原来的电路存在的不足进行改进i l6 单片机是将微型计算机的主要部件集成在一块芯片上 这样一块芯片就是一个微 型计算机 因此 单片机具有如下特点 1 较强控制能力 单片机的集成度高 为了能够满足各种控制要求 单片机的指令系统中都有非常 丰富的条件转移指令 较强的i 0 逻辑操作及位处理功能 因而单片机控制灵活 方 便 容易满足工业控制的各项要求 2 具有较强抗干扰能力 运行可靠性高 单片机的集成度高 体积小 采用总线结构 减少了芯片内部之间的连线 大大 提高了单片机的可靠性和抗干扰能力 能适应恶劣的工作环境 3 单片机性价比高 4 易扩展 片内具有计算机正常运行所必要的部件 片内有许多供扩展的三总线并行 串行 输入输出管脚 很容易构成各种规模的应用系统 5 低功耗 低电压 一般单片机的功耗仅为2 0 到l o o m w 电压为2 一6 v 不同型号的电压等级不一样 便于生产便携产品 6 种类多 型号全 很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要 有针对性地推出一系列型号产品 使系 统开发有很大的选择余地 大部分产品有较好的兼容性 保证了已开发产品能够顺利 移植 较容易地使产品进行升级换代 7 使用寿命长 这里所说的长寿命 一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年 二 十年 另一方面是指与微处理器相比的长寿命 单片机所具有的这些优点能够使得该设计满足以上要求 即技术新 先进 体积 小 精度高 功能扩展及其方便 且衡量之下它的成本较低 除此之外单片机的外围 电路也非常的简单 系统紧凑 对于小规模的应用系统 单片机具备了最佳的价格和 最简单的电路 而且更容易让更多的人控制使用 改进后的原理方框图如图2 2 所示 9 2 系统方案论证 工程硕士学位论文 市电 图2 2 电源系统原理方框图 本系统利用开关电源的基础电路 选择一款合适的高性能单片机为控制核心 以 组成数据处理电路 在检测与控制软件支持下 通过对开关电源输出电流 电压进行 数据采样与给定数据比较 从而调整和控制开关功率管的工作状态 同时监测输出电 流大小 进行电流控制 其电路的基本工作原理为 市电经整流滤波 功率校正电路 p f c p o w e rf a c t o rc o r r e c t 变成直流电送入功率变换电路 d c d c 功率变换电路 在脉冲宽度调制电路 p w m 和单片机的控制下输出稳定的直流电压 用户可根据需 要通过键盘设定开关电源输出的电压值及最大输出电流值 单片机系统自动对电源输 出电压和电流进行数据采样 并与用户给定数据进行比较 然后根据设置的调整算法 控制开关调整电路 使电源输出电压符合给定值 单片机在调整电源输出电压的同时 还要检测电路的输出电流 当输出电流超过给定值时 就启动保护电路 实现保护功 能 1 7 h 1 9 1 2 3 本章小结 本章根据设计要求 首先介绍了开关电源的基本结构组成 包括主电路和控制电 路以及工作过程 并在此基础上进一步改进得出基于单片机控制的开关电源结构图 分析了其工作原理 1 0 工程硕士学位论文高功率因数多重控制程控电源的研究 3 程控开关电源的设计 本章结合s g 3 5 2 5 电压型p w m 控制芯片和单片机 设计出一种基于s g 3 5 2 5 和单 片机双重控制的程控电源 利用单片机控制来实现稳压 主要突出单片机的灵活控制 稳压元件采用集成稳压器 有较强的实用价值 3 1 调节原理及控制方案 3 1 1s g 3 5 2 5 内部逻辑电路结构分析 s g 3 5 2 5 是用于驱动n 沟道功率m o s f e t 的p w m 控制芯片 其产品一推出就受到广 泛好评 s g 3 5 2 5 是电压控制型p w m 控制器 所谓电压控制型脉宽调制器是按照接反馈 电压来调节脉宽的 2 0 l 2 4 s g 3 5 2 5 a 的内部结构见图3 1 由基准电压调整器 振荡器 误差放大器 比较器 锁存器 欠压锁定电路 闭锁控制电路 软起动电路 输出电路构成 在s g 3 5 2 5 内部有一个三角波信号发生器 p i n 9 输出一个直流电压 两者输入比 较器进行比较 就可以得到一个脉冲宽度可调的p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 脉冲宽 度调制 信号 见图3 2 所示 v c 图3 1s g 3 5 2 5 内部原理图 3 程控开关电源的设计工程硕士学位论文 图3 2p w m 产生原理 从图3 1 中可以看出 s g 3 5 2 5 的1 5 脚为电源输入端 其启动电压为8 v 以上 当 电压从8 v 降低至7 5 v 时 欠压锁定电路开始工作 输出端1 1 和1 4 脚无脉冲输出 当1 5 脚建立正常工作电压后 其内部即建立恒压源和恒流源 为其内部电路正常工作 提供能源 通过5 6 脚外接定时元件以及7 脚放电端 使5 脚产生锯齿波信号 加于 内部比较器的输入端 当误差放大器输出端9 脚电压上升时 比较器输出的脉冲宽度 变窄 1 1 或1 4 脚输出的脉冲宽度反而变宽 当误差放大器输出端9 脚电压下降时 情 况与上述相反 从而实现输出脉宽调制 并控制脉宽调制信号的频率 2 脚接基准电压 1 脚为输出电压取样端 当1 脚电压升高时 经误差放大9 脚电压下降 反之 9 脚电 压上升 9 脚上电压的上升和下降 最终都表现在1 1 1 4 脚输出脉冲的宽窄变化上 以实现电路的自动稳压调节 1 0 脚为检测输入端 即可用作过流检测也可用作过压检 测 当1 0 脚输入高电位时 将关闭1 1 1 4 脚的脉冲输出 也保护开关管不受损坏 s g 3 5 2 5 各关键点的时序波形见图3 3 所示 s g 3 5 2 5 的主要特点是 输出级采用推挽输出 双通道输出 占空比0 5 0 可调 每一通道的驱动电流最大值可达2 0 0 m a 灌拉电流峰值可达5 0 0 m a 可直接驱动功率 m o s 管 工作频率高达4 0 0 k h z 具有欠压锁定 过压保护和软启动等功能 该电路 由基准电压源 震荡器 误差放大器 p w m 比较器与锁存器 分相器 欠压锁定输出 驱动级 软启动及关断电路等组成 可正常工作的温度范围是0 7 0 0 基准电压为 5 1v 1 工作电压范围很宽 为8 v 到3 5 v 1 2 工程硕士学位论文 高功率因数多重控制程控电源的研究 图3 3s g 3 5 2 5 关键点时序波形 波形 通过前面对s g 3 5 2 5 内部逻辑电路结构进行分析后 我们可以看出 传统的3 5 2 5 控制方案中 1 脚接采样输出电压 2 脚根据实际情况从1 6 脚的基准电源处采得适合 的基准电压 1 脚和2 脚分别送给误差放大器 由误差放大器的输出控制3 5 2 5 的1 1 和1 4 脚的输出脉冲宽带 采用s g 3 5 2 5 控制的开关电源传统控制方案如图3 4 所示 1 1 2 i 阚 由图3 4 可以看出3 5 2 5 是通过检测输出电压 与给定基准电压进行比较来自 身调节输出的脉冲波形的占空比以控制主电路开关管的关断以达到稳定输出的目的 对于3 5 2 5 传统的控制方式有一个比较突出的缺点就是电路确定后 基准电压就是是恒 定的 故输出也是不可调的 而目前很多场合比如学校实验室和科研单位等场所 所 需要的电源的大小要根据设备的变化而变化的 这就要对原来的传统控制方式进行修 改 3 程控开关电源的设计工程硕士学位论文 图3 43 5 2 5 传统控制框图 3 1 2s g 3 5 2 5 和单片机多重控制方案 我们从图3 4 和3 5 2 5 的工作原理中可以看出 输出大小是由2 脚的基准电压决定 的 要想最后输出可调 只要2 脚的给定基准可调 也就是不采用s g 3 5 2 5 自身的基准 电源 而通过外部给定 图3 5 修改过的3 5 2 5 控制框图 结合以上的想法 我们对电路进行了以下的修改 框图如图3 5 所示 电源的输出 大小由键盘输入单片机 单片机根据键盘输入给出基准电压使得主电路输出稳定 大 概工作过程如下 主电路中功率开关管的控制信号来自p w m 信号产生芯片s g 3 5 2 5 输出大小由键盘输入单片机 单片机再通过d a 转换将给定基准电压送给s g 3 5 2 5 的 误差放大器同向输入端 2 脚 使输出得到键盘设定的电压值 输出采用反馈接到误 差放大器反向输入端 1 脚 由s g 3 5 2 5 根据误差放大器的输出自动调节控制信号 1 1 1 4 脚输出 的占空比 使得输出 电源 的电压恒定 s g 3 5 2 5 的输出 1 1 1 4 脚的 脉冲输出 也可以根据需要通过单片机的i o 口来控制 系统正常运行时 s g 3 5 2 5 根 据键盘给定基准电压和系统充电模式 动态调节电源输出电压恒定 这样电源输出恒 定就由单片机和s g 3 5 2 5 多重控制决定 1 4 工程硕士学位论文 高功率因数多重控制程控电源的研究 3 2 硬件设计与参数计算 由图3 5 可知 整个开关电源电路主要由两部分组成 电源主电路和控制电路 下 面根据设计要求分别对这两部分电路进行设计和参数计算 3 2 1d c i c 变换电路设计及器件的参数计算 主电路是处理和传输大功率的电路