LED驱动电源的设计本科毕业论文.doc

五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 1 目 录 摘摘 要要 3 Abstract 4 绪论绪论 5 1 1 引言 5 1 2 电源的发展趋势 5 1 3 国内外研究现状 5 1 4 本文的研究内容 6 1 5 照明光源的发展与优缺点 7 1 6 LED 电源设计要求 8 第第 2 章章 开关电源的所具有制作开关电源的所具有制作 1010 2 1 开关电源的基本原理 10 2 2 开关电源的几种拓扑结构 11 2 3 本文数控电源的控制形式 11 2 4 反激式开电源的工作原理 12 2 5 反激式开关电源的设计 14 2 5 1 确定设计要求 14 2 5 2 IC 的选择 14 2 6 变压器的设计 15 2 6 1 开关电源变压器的绕线方法 15 2 6 2 磁饱和 15 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 2 2 6 3 变压器参数的计算 16 2 7 本章小结 21 第第 3 3 章章 第第 3 3 章主控板的制作与系统软件设计章主控板的制作与系统软件设计 2121 3 1 主控板电路原理图模块 21 3 2 系统软件设计 24 3 2 1 主程序设计 25 3 2 2A D 模块程序 26 3 2 3PWM 模块 26 3 3 本章小结 26 第第 4 章章 第第 4 4 章章 结果与讨论结果与讨论 27 4 1 开关电源原边电压波形图 27 4 2 开关管的占空比 29 4 3 开关电源的效率 30 4 3 1 漏感导致效率低 31 4 3 2 励磁电流导致 31 4 3 3 原件及磁芯的选取 31 4 4 单片机的电压 温度采集与 PWM 控制 33 4 5 作品实物图片 33 4 5 1 开关电源实物作品图片 34 4 5 2 单片机控制模块作品图片 34 4 6 本章小结 34 参考文献 36 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 3 致谢 37 摘 要 与传统开关电源相比 数控电源具有智能功率管理功能 是未来智能电网终端应用的 重要技术 在开关电源中插入单片机控制环节是实现数控电源的一种方法 通过传感器 和单片机的结合 可以实时捕获电源的当前工作状态信息 通过程序处理 输出 PWM 信 号控制开关电源的占空比 使电源的工作状态适应环境变化的要求 本文在传统反激式开关电源的基础上 采用 STC12A60S2 单片机对反激式开关电源的 输出电流与 LED 灯温度的采集 输出相应的 PWM 信号对开关电源进行控制 使输出电 流与温度达到平衡稳定的状态 并通过 1602 液晶显示当前的电流与温度值 论文详细论 述了反激式开关电源的工作原理 各功能模块的实现方法 关键元件 高频变压器的设 计与制作 恒流输出原理 电流 温度采集的与单片机信号处理的方法 控制信号的接 口等 并设计制作了实物模型 实验数据表明 本文所提的方法是一种简单 实用 有 效的方法 关键词 关键词 数控电源 反激式开关电源 STC12A60S2 PWM 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 4 Abstract Compared with the traditional switch power supply Numerical control is easy to realize the power supply more intelligent more perfect power management Some of the information can be power through the display device display application is convenient for us Easy and digital system interface Through the program to control power in different occasions without replacement hardware circuit and many other advantages This paper in traditional flyback type of switch power supply basis Through the use of STC12A60S2 singlechip flyback type of switch power supply output current and LED lights in the collection of temperature Through the STC12A60S2 producing controlled PWM signal to the switch power The 1602 current and liquid crystal display temperature This paper makes a study of the flyback type of switch power design production optimization and single chip microcomputer to switch power supply voltage signal acquisition and feedback to switch power through the output pulse occupies duty cycle PWM signals to control the output power of current power supply to meet the normal work of LED lights of control Key words Numerical control power source Flyback type switch power source STC12A60S2 PWM 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 5 第第 1 章章 绪论绪论 1 11 1 引言引言 能源 环保是我们当代所面临的两大问题 在使用能源上我们只有提高效率来降低能 源的消耗 电力能源是国家人民生活 科技发展的支柱 国家能源局公布 2011 年全社会 用电量累计达 46928 亿千瓦时 开关电源技术的用运用通过采用高频变换器提高了电能 的利用效率 是电力电子技术中一个重要领域 开关电源被誉为高效 节能电源 它具有效率高 可达 70 90 体积小 单位体 积下的输出功率仅为线性稳压电源的 1 4 重量轻 单位质量下的输出功率约为线性电 源的 4 倍 1 目前 单片开关电源集成电路以其高集成度 高性价比 简单的外围电 路获得广泛的应用 开关电源有很多种拓扑结构 在应用过程中根据所用的地方采用最佳的方式 开关电 源现在正朝着高效节能 安全环保 短 小 轻 薄的方向发展 智能电源以是电源的 发展方向 智能数字电源适合于工业批量生产而得到了最广泛的应用 传统的线性集成 稳压电源 线性稳压电源其内部调整管与负载相串联其调整管工作在线性区而得名 其 优点是稳压性能好 输出纹波小 电路简单 成本低但是效率一般在 45 左右 由于开关 电源具有较高效率因此正被广泛的应用 1 21 2 电源的发展趋势电源的发展趋势 开关电源的总体发展趋势是提高 IC 芯片的频率 降低空载功耗 智能化数字电源及 可编程开关电源将是开关电源发展的趋势 1 31 3 国内外研究现状国内外研究现状 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 6 开关电源已有几十年的发展历史 1955 年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变 换器 率先实现了高频转换的控制功能 1957 年发明的自激推挽式双变压器 1964 年提 出的无公平变压器式开关电源的设计方案 有力的推动来开关电源的技术的进步 1977 年脉宽调制 PWM 控制器件集成电路的问世 1994 年单片开关电源的问世 为开关电源 的推广和普及创造了条件 于此同时开关电源的频率从 20KHz 提高到了几兆赫兹 国内 2008 年中国开关电源市场总体销售额达到 123 8 亿元 销售额比同期增涨 14 8 与传统采用工频变换技术的相控电源相比 采用大功率开关管的高频整流电源 在技术上是一次飞跃 它不但可以方便地得到不同的电压等级 更重要的是甩掉了体大 笨重的工频变压器及滤波电感电容 由于采用高频功率变换 使电源装置显著减小了体积和重量 而有可能和设备的主机 体积相协调 并且使电性能得到进一步提高 正因为如此 1994 年我国原邮电部作出重 大决策 要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源 几年来的实践已经证明 这 一决策是完全正确的 目前 国内开关电源的自主研发及生产厂家有 300 多家 形成规模的有十多家 国产 开关电源已经占据了相当大的市场 一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品获 得广泛的认同 在电源市场竞争中颇具优势 并且少量的开关电源还出口 国外许多著名的 IC 厂家都在大力的开发低功耗的开关电源芯片 如美国的 PI 公司开 发的 TOP 系列的单片开关电源芯片 荷兰 Philips 公司推出的 TEA1520 等系列的芯片等 美国早在 1992 年就制定了能源之星 Energy Star 计划 以降低开关电源的空载能耗 欧盟委员会最新公布第 4 版电源节能标准 COC 在 2009 年 1 月 1 日起执行 规定 要求在输出功率为 0 3 50W 普通电源的空载功耗不超过 0 30W 50 250W 普通电源空载 时的功耗不超过 0 50W 新标准对 0 3 8 0W 的手机电源的空载功耗规定为在 2009 年 1 月 1 日 2010 年 12 月 30 日手机电源的空载功耗不能超过 0 25W 自 2011 年 1 月 1 日之 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 7 后不能超过 0 15W 从上面我们可以看到在开关电源领域国内只有几家大公司掌握作核心 技术 开关电源的 IC 基本上是国外生产 1 41 4 本文的研究内容本文的研究内容 本文主要研究反激式开关电源与单片机控制的数控电源 反激式开关电源主要是用 来给 LED 供电 在采用 DS18b20 对 LED 灯温度的采集进行控制 当温度高于设定温度时 由单片机给开关电源反馈信号来控制输出电流来降低温度 当温度或电流超过设定值时 由一个红色 LED 和蜂鸣器来报警 用 1602 液晶来显示当前电流与 LED 灯当前的温度 在开关电源的制作过程中研究如何提高开关电源的效率 减少 EMI 干扰等 1 51 5 照明光源的发展及优缺点照明光源的发展及优缺点 按电光源的发光机理分类 第一代光源 电阻发光如白炽灯 第二代光源 电弧 和气体发光如钠灯 第三代光源 荧光粉发光如荧光灯 第四代光源 固态芯片发光如 LED 第一代照明光源 白炽灯第一代照明光源 白炽灯 1879 年 美国爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯 使人类从漫长的火光照明 时代进入电气照明时代 也宣告了第一代光源 白炽灯的诞生 优缺点 白炽灯显色指数比较高 成本相对比较的低 使用安全 设备的维护 费用比较的低及无污染 因此被大量的采用 但是大部分白炽灯会把消耗能量中的 90 转 化成无用的热能 只少于 10 的能量会成为光 在白炽灯发出的光中还包含红外 紫外等 不可见光 因此它的发光效率低 能耗大 寿命短为其缺点 第二代照明光源 荧光灯第二代照明光源 荧光灯 20 世纪 30 年代 荷兰科学家开发出第一支荧光灯 其具有发光效率高 寿命长 光色好等优点 使得其在家居 办公 商业照明灯领域逐渐取代白炽灯成为使用最广泛 优缺点 荧光灯的优点是发光效率要比白炽灯高得多 在使用寿命方面也优于白炽 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 8 灯 缺点是荧光灯在灯管中有汞 在使用后没有很好的回收机制导致污染水资源 特别 是它的频闪效应 容易使人眼产生错觉 应采取措施消除频闪效应 另外 荧光灯需要 启辉器和镇流器 使用比较复杂 第三代照明光源 金属卤化灯第三代照明光源 金属卤化灯 20 世纪 40 60 年代 科学家发现提高气体放电的工作压力表现出的优异特性 又不 断地开发出高压汞灯 高压钠灯 金属卤化物灯等高强度气体放电灯 使得其在大面积泛 光照明 室外照明 道路照明及商业照明等领域得到广泛应用 其中较有代表的为金卤 灯 钠灯 优缺点 金属卤化灯它综合了汞灯 荧光灯及白炽灯的优点 具有光效高 节能 显色性好 寿命长的优点 缺点 对原材料要求苛刻 工艺复杂 尺寸和精度要求高 技术设计有难点等 第四代照明光源 第四代照明光源 LEDLED 20 世纪 60 年代 科学家开发出第一个实用可见光 LED 随后又相继开发出各种单 色光 LED 近年来 LED 光效不断提升 并突破单一颜色的局限性 向白色光照明迈进 LED Light Emitting Diode 中文意思为发光二极管 它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三 基色粉发光的原理 而采用电场发光 LED 的特点非常明显 寿命长 光效高 无辐射与 低功耗 在很多国家和地区被政府推广使用 优缺点 1 体积小 2 耗电量低 3 使用寿命长 4 高亮度 低热量 5 环保 6 坚固耐用 LED 也有以下缺点 1 散热不理想 2 对人眼的伤害较大 3 显色指数受温度等环境因数影响 4 电源驱动技术还没克服影响 LED 灯整体寿命 1 61 6 LEDLED 驱动电源设计要求驱动电源设计要求 LED 的发光是靠载流子在发光区复合发光的 因此 LED 的发光强度与电流大小成正 比 LEDLED 的伏安特性的伏安特性 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 9 在 图 1 1 中我们可以看到在 LED 同样有一个开启电压 在增大 LED 两端的电压 时电流以随着增大 但是增大的幅度随电压的增大而不断的增大 因此当 LED 正常工作 时当电压很小波动时都会导致电流的很大波动 图 1 1 LED 的伏安特性曲线 温度对温度对 LEDLED 伏安特性的影响伏安特性的影响 在不同温度下 LED 的伏安特性曲线如图 1 2 当温度升高时 LED 伏安特性曲线向左 移动 由于 LED 的发光以伴随着热量的产生 如果采用恒压供电就会导致当 LED 内部极 温上升时流过 LED 的电流加大 导致 LED 温度继续的升高这样的恶性循环 因此 LED 的供电一定要才用恒流供电 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 10 图 1 2 不同温度对 LED 伏安特性曲线 同样温度对 LED 的光衰以有很大的影响 如 图 1 3 是不同温度下的 LED 当发 光强度衰减到之前的 70 所用时间 可以看到在温度为 100 90 80 时当光强衰 减到开始时的 70 所用的时间是 80 时为 4 万小时 90 时是 3 万小时 100 时为 2 2 万小时 因此在设计过程中一定要注意到 LED 的散热 图 1 3 温度对 LED 发光强度与时间的曲线图 由于 LED 的伏安特性及伏安特性随温度的变化特性因此 LED 的驱动电源采用恒流电 源 第 2 章 开关电源的设计与制作 按工作原理来分电源分为线性电源与开关电源 由于开关电源具有较高的效率因此开 关电源正在被广发的应用在我们的生活中如手机充电器 电脑电源等随处可见 2 12 1 开关电源的基本原理开关电源的基本原理 如图 2 1 可以分为几步 1 输入的交流电经过 EMI 跟整流滤波电路后就变成直 流电 2 由开关管控制初级变压器的导通与断开将直流电在初级变压器中变成方波 3 通过变压器将能量耦合到次级 次级在通过整流 滤波输出直流电 4 通过输出的 电流或者电压来反馈到开关管控制输出稳定 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 11 图 2 1 AC DC 开关电源典型框图 2 22 2 开关电源的几种拓扑结构开关电源的几种拓扑结构 开关电源的拓扑结构是指功率变换电路的结构 其中开关电源的拓扑结构包含降压式 变换器 升压式变换器 反激式变换器 正激式变换器 推挽式换化器 半桥式变换器 全桥式变换器 2 32 3 本论文数控电源的控制形式本论文数控电源的控制形式 本论文主要采取单片机对开关电源的输出信号进行采集 在通过处理输出 PWM 信 号来对开关管的工作状态进行控制 如图 2 2 框图 图 2 2 数字式开关电源工作图 在第二章里讲到开关电源有很多的拓扑形式 但在小于 100W 的小功率应用中常采用 反激式开关电源 反激式开关电源的优点是电路比较简单 体积比较小 反激式开关电 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 12 源输出电压受占空比的调制幅度 相对于正激式开关电源来要高很多 因此在 LED 灯具 中被大量使用 2 42 4 反激式开关电源的工作原理反激式开关电源的工作原理 反激式 DC DC 的变换器又被称为回扫式变化器 凡是在功率开关管截至期间向负载输 出能量的变化器统称为反激式变化器 2 1 反激式开关电源工作电路简图 如图 2 3 是反激式开关电源的拓扑结构 在输入的交流市电经过整流 滤波后有 310V 左右的直流电如 2 3 图中的 a 图 J1 为高频变压器 Q1 为功率开关管 MOSFET VD 为输出整流二极管 C1 为滤波电容 Np 与 Ns 分别是高频变压器的初级线圈匝数与次级 线圈匝数 当 Q1 导通是电流经过初级线圈产生 Ip 的电流以电感的形式将能量存储到一 次绕组中 此时次级线圈的上端为负下端为正 次级整流二极管不导通 当功率开关管 截至时初级线圈中的能量将在次级线圈上产生一个感应电动势 其极性为上正下负次级 整流二极管导通 产生 Is 的电流给负载供电的同时对电容充电如 2 3 图中的 b 图 Uo 为输出电压 图 2 3 反激式开关电源拓扑结构 2 反激式开关电源的工作原理 如图 2 4 是将开关管简化为一个开关 S 这样可以跟直观的让我们了解开关电源的工作 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 13 原理 当开关 S 闭合时 输出电压加到初级线圈上 初级线圈电感为Lp在加上输入电 压后Ip 将逐渐增大 并在电感中不断的存储能量 此时电容 C1 给发在 RL 供电负载电流 为Io 如图 2 4 a 当 S 断开如图 2 4 b 此时存储在初级线圈中的电能将产生感应电 动势来减小初级电流的变化为 感应电动势在初级为下正上负 此时次级整流二极管 VD 导通 将存储在初级线圈 Np 中的能量传递给次级 传递到次级的能量用来对电容 C1 充电与负 载供电 3 从上面我们可以知道在反激式开关电源中初级线圈在整个周期中是不断的 充电与放电 因此在设计变压器时要考虑初级电感存储的能量多大才能供给负载 图 2 4 在开关管导通与截至是的反激式开关电源简化电路图 3 反激式开关电源的主要特性 1 输出电压 Uo 与输入电压 UI 的关系 2 1 I P L O U L TR DU 2 由上面的公式我们可以看到 Uo 不但受到占空比 D 与周期 T 的限制外还与负载 有关 因此在输入电压变化要求输出电压不变时就要求有较大的占空比的调节 因此在 设计电源时一定要考虑当输入电压较低时占空比是否在开关管 IC 的范围内 在设计时一 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 14 定要加上最小负载 避免电路空载运行时导致输出电压过高或振荡 2 功率开关两端的电压 UCE 在理想的变压器中不存在漏感的条件先讨论这个功率开关两端电压的情况 漏感 变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈 因此产生漏磁的电感称为 漏感 2 2 OSPICE UNNUU 由上面的公式我们可以看到在开关管两端的电压一般都是很高的 其中 在反射式开关电源中被称为反激电压 UOR OSP UNN 2 52 5 反激式开关电源的设计反激式开关电源的设计 反激式开关电源的设计可以分为 1 确定设计要求 2 IC 的选择 3 变压器的设 计 4 电源的保护电路 5 输入整流 滤波电路 6 漏感吸收回路设计 7 输出整流 滤波电路设计 8 反馈回路设计 2 5 12 5 1 确定设计要求 确定设计要求 输入电压 220 V AC 20 范围 输出电压 23V DC 电流 700mA 2 5 22 5 2 ICIC 的选择的选择 选择 TNY279 是 TinySwitch III 产品系列 具有灵活性及更大的功率范围是高效的离 线式开关 IC 这款 IC 在安全上采用了的迟滞热关断保护并且具备自动恢复功能 无需人 工重新置位 在 265 VAC 输入时 无偏置绕组下的空载能耗 150 mW 有偏置绕组时空 载能耗 50 mW TinySwitch III 集成了一个 700 V 的功率 MOSFET 振荡器 高压开关 电流源 电流限流 用户可选 及热关断电路 IC 产品系列采用开 关控制方式 提供一个 灵活的设计方案 并且实现更低的系统成本及更大的输出功率范围 其中振荡器平均频 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 15 率设置在 132 kHz 的水平 4 图 2 5 TNY279 芯片图 2 62 6 变压器的设计 变压器的设计 在反激式开关电源的设计过程中最难的就是变压的设计了 在前面第二章我们了解 在反激式开关电源中初级线圈是用来存储能量在关断时对负载供电的 因此在设计反激 式开关电源的时候就要考虑初级电感的大小 2 6 12 6 1 开关电源变压器的绕线方法 开关电源变压器的绕线方法 先来说说开关电源变压器的绕制有两种方法 顺序绕制和夹层绕法 在这两种绕线 法对 EMI 和漏感是有不同的 在顺序绕线法当中由于次级与初级的接触只有一个表面导 致漏感一般为初级电感的 5 左右 正是由于只有一个接触面 耦合电容比较小导致 EMI 比较好 夹层绕法又叫三明治绕法 一般是先绕 1 2 1 3 的初级线圈匝数在绕次级线 圈 这样的绕法漏感为电感的 1 3 左右 漏感是减小了但是由于接触面的增多导致耦合 电容增大 EMI 比较难通过要求 因此综合考虑一般在小于 30 40W 的开关电源才用顺序 绕法 大于 40W 由于漏感较大将产生很高的关断电压对开关芯片产生很大的冲击 在嵌 位电路上消耗的能量将更多导致效率下降 电源温度上升等都是我们不想得到的因此在 大功率开关电源的变压器上一般都才用夹层绕线方法 2 6 22 6 2 磁饱和 磁饱和 如图 2 6 是磁滞回曲线图 与材料有关 其中 Br 被称为矫顽力 MXO 型锰锌铁氧体 合适工作在中频 几百千赫兹 其电阻率很低 5 为了不让开关电com 2 101 源的变压器不饱和采用在磁芯中间开气隙 在设计开关电源的变压器时如果选择较低的 Bm 将导致线圈匝数增多 由于在绕制的线圈中存在电阻如果线圈匝数越多电阻越大导致 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 16 在工作时变压器上线圈的损耗增大 导致变压器线圈发热 由于磁芯存在居里温度 当 温度上升到 Bm 将下降当居里温度是表示的材料失去磁性的温度 铁氧体的居里温度一般 在 220 但是一般变压器设计工作温度不能超过 80 应为在 100 以上时 其饱和磁 通密度 Bs 已跌至常温的 70 在过高的温度将会导致磁芯的饱和 当温度超过 100 时 功耗以随着温度的上升呈现正温度系数 会导致恶性循环 6 磁饱和将会导致线圈失去 存储能量的能力 那变压器的初级线圈就相当与导线 将产生大的电流破坏开关管与烧 坏保险管 破坏铜线的绝缘层 因此一定在反激式开关电源中加气隙 来降低 Br 以增大 磁通密度 B 的变化量 增加气隙后 虽然激磁电流将有所增大 但是磁芯不容易产生饱 和 从而增加变压器存储能量的能力 便于提高开关电源的输出功率 7 不然后果很 严重 图 2 6 磁滞回曲线 在中间的加气隙的方法有两种 一种是在磁芯两端上垫出气隙另一种就是将中柱磨出 一段气隙 这两种方法各有优点 第一种方法是在两端垫出气隙效率比将中柱磨出气隙 的变压器损耗要小 但是 EMI 比中柱磨出气隙要差一些 但是制作方便一般我们都采用 第一种方法 由于在中柱磨出气隙时在漏磁靠外面的线圈屏蔽 所以 EMI 会好一些 但 是损耗也大一些 是由于泄漏的交变磁场会在铜线里产生涡流损耗 2 6 32 6 3 变压器参数的计算 变压器参数的计算 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 17 在开关电源的设计中反激式开关电源高频变压器的设计是最为复杂的 因此在设计 反激式开关变压器时我们一定要仔细 1 变压器的磁芯选择 下图是关于功率与磁芯型号对照表 图 2 7 开关电源型号与输出功率的对照表 8 由于输出功率为 16W 因此我选择 EE22 图 2 8 磁芯参数表 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 18 如图 3 6 我们查表可以得到 EE22 磁芯的横截面积为 在 100KHZ 时 2 41mmAe 的饱和磁通为 在计算是为了防止出现磁饱和现象而损坏开关管 因此 mTBS200 我们在计算时可将磁通密度mTB120 2 计算脉冲信号的最大占空比 max D 在设计时对于电压在 220V 20 的范围内波动 对应的交流电压为 176 264V 的交流 电 在经过整流滤波后的直流输入电压最大值 最小值分 VU360 max 单端反激式开关电源的反射电压为 Vor 110V 在初级绕组的嵌位端采用VU240 min P6KE200A 将初级电压嵌位在 200V 之间 加上输入电压一共有差不多 560V 在 TNY279PN 芯片中集成了一个 700V 的功率 MOSFET 因此选择 P6KE200A 来做嵌位电路如图 2 9 是反激式开关电源的嵌位吸收电路 图 2 9 反激式开关电源嵌位电路 计算脉冲信号的最大占空比为 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 19 2 3 100 Im max inor or UV V D 根据公式 2 3 可以算出最大占空比为 4 31 100 240110 110 max D 没有超出规定的要求值 TNY279PN 芯片的最大占空比为 65 3 计算一次绕组上的电感量 L1 高频变压器的一次电感量 L1 是由下面的公式确定 9 2 4 fP DU L O in 2 2 maxIm 1 将数值代入上面的式中可以得到 941 0 132162 4 31240 70 2 1 mH K L 设满载时的峰值电流为 Ip 在进行短路保护时的过载电流为 Is 有 2 5 maxIm 2 DU P I in O p 2 6 PS II3 1 可以算出 Ip 0 6A Is 0 78A 在一次电感上存储的能量为 2 7 2 2 1 LIW 将数值带入 2 7 可以得到 286 078 0 10941 0 2 1 23 mJW 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 20 4 确定一次绕组的匝数 N1 一次绕组在反激式开关电源中是存储能量 一次绕组上的安匝比与存储的能量之间 有面的关系 2 8 J s BS W IN 7 1 102 将 B SJ W Is 带入 2 8 可以得到 N1Is 84 7 匝 匝 10878 0 7 84 11 SS IINN 5 确定二次绕组的匝数与单片机供电电源所需匝数 一旦确定了一次绕组的匝数可以根据下面的关系式得出相关的次级线圈匝数与供电 的匝数 2 9 maxIm max1 1 DU DUUN N in FO 在输出回路中由于整流二极管与线路的压降大约有 1V 的压降 因此输出电压为 24V 带入上面的公式我们可以得到 59 23 314 0240 314 01 123 108 匝 N 同上可以算出给单片机供电所需绕组的线圈匝数 给单片机供电的电压要求为 6 28V 考 虑到降低能量我们将电压规定到 7 伏在整流二极管上有一定的压降 N 单片机 7 匝 6 计算空气气隙 为了防止高频变压器的磁饱和我们将在变压器的磁芯中加入气隙来降低 Br 以增大磁 通密度 B 的变化量 增加气隙后 虽然激磁电流将有所增大 但是磁芯不容易产生饱和 从而增加变压器存储能量的能力 便于提高开关电源的输出功率 在计算是一般都是采 取理想化模型 假设在磁芯的开气隙处是不存在磁泄露的 但是事实上是存在的 按理 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 21 想的条件计算可以有 2 10 8 0 08 0 150 94 0 10814 3 04 0 04 0 1 mmcm B IN S 在两个边上各开出 0 4mm 左右的气隙 7 绕线线径的选取 对与圆形截面的的漆包线 其导线的截面积 S 与直径 d 之间的关系为 2 11 2 4 dS 流过导线的电流有效值 IRMS与导线的截面积 S 和电流密度 J 之间的关系为 2 12 SJIRMS 由上面的 2 11 与 2 12 两个公式可以得到直径的计算公式 2 13 J I d RMS 4 2 82 8 本章小结本章小结 本章讲解了在小功率电源中常用的反激式开关电源的原理及反激式开关电源的设计 反激式开关电源重点讲解了变压器的制作 关与磁芯的磁饱和与变压器线圈的匝数进行 了说明 并以一个 16W 的开关电源为实例介绍了变压器各参数的计算 在其他的保护电 路上就没有做讲解 第三章 主控板的制作与系统软件设计 在选择单片机型号上 由于 STC12C5A60S2 的速度是传统 8051 的 8 12 倍 在指令上 是完全兼容了 8051 单片机 在 STC12C5A60S2 中内部集成了 2 路 PWM 8 路高速 8 位 A D 转换 300k s 10 针对强干扰环境 因此现在该款单片机 3 13 1 主控板电路原理图模块主控板电路原理图模块 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 22 本系统采用 STC12C5A60S2 单片机为控制核心 可以将整个电路的原理图分为 5 个模 块 分别是 STC12C5A60S2 模块 供电部分 显示接口 温度传感器 DS18B20 与扬声器报 警电路 按键模块 图 3 1 单片机主控板 2 供电部分 图 3 2 单片机供电模块 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 23 3 显示接口 图 3 3 为 12864 液晶与 1602 液晶提供接口 4 温度传感器 DS18B20 与扬声器报警电路 图 3 4DS18B20 与扬声器报警电路 5 A D 输入接口与 PWM 输出接口 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 24 图 3 5A D 输入接口与 PWM 输出接口 由于芯片 TNY279 没有直接的 PWM 调光的方式因此采用 STC12C5A60S2 单片机输 出的 PWM 信号来控制光耦 使 TNY279 芯片的 EN UV 引脚跟输入负极导通 6 按键模块 图 3 6 按键模块原理图 3 23 2 系统软件设计系统软件设计 3 2 13 2 1 系统软件设计方案系统软件设计方案 本系统才用 STC12C5A60S2 为控制核心 整体软件采用 C 语言 采用模块化设计 分为主程序 A D 转化程序 LCD 显示程序 DS18B20 温度采集程序 在 KEIL4 环境下 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 25 进行编程调试 整体运行良好 3 2 23 2 2 主程序设计主程序设计 由于模块化编程因此主程序比较简单 主程序负责初始化 循环按键扫描 显示 实时数据采集 温度与 A D 转化数据 开始 系统初始化 开中断 实时数据显示 键盘扫描 是否报警 有命令 N 执行命令 Y 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 26 图 3 7 主程序流程图 3 2 33 2 3 A DA D 模块程序模块程序 A D 模块的流程图如图 4 8 所示 将采样电阻上的电压采集在转换为电流数据来控 制 流过 LED 灯珠的电流 并将计算的结果给 LCD 显示 图 3 8 A D 转换流程图 3 2 4PWM3 2 4PWM 模块模块 在 STC12C5A60S2 芯片中集成了 2 路 PWM 图 3 9PWM 输出流程图 3 33 3 本章小结本章小结 本章介绍了基于 STC12C5A60S2 数字控制的反激式开关电源 首先介绍总体硬件框 A D 开始 读取电压信息 转化为电流信息 PWM 输出开 始 判断电流大小 增大占空比 减小占空比 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 27 架 而后分别介绍输出电压检查电路设计 在由单片机将电压信号传化为电流信号对反 激式开关电源进行反馈控制 温度检测电路 液晶显示接口电路等 软件设计采用分模 块化进行 第 4 章 结果与讨论 本章是对开关电源波形 效率与单片机控制的实际结果的分析与讨论 为了保证测试的安全 在被测开关电源与电网之间必须加上隔离变压器 11 应 为示波器的地线夹是与示波器的外壳连接的 外壳是与电源插线板的地线相连接的 当 将示波器的地线夹接到电源的原边地线上由于原边地是由交流电经过整流滤波后得到的 将示波器的地线夹接到原边地就相当于将交流电接地会烧坏电源但对示波器不会有伤害 应为示波器就相当于提供一个接地没有将示波器内部的其他电路连接到回路中 4 14 1 开关电源原边电压波形图开关电源原边电压波形图 将电源的输入端接到市电中 示波器接到隔离变压器上 将示波器的两个输入端探头 分别接到 TNY279 的漏极 D 与原边的公共端之间 在不同的负载情况下的波形图如图 4 1 是负载为 8W 时的波形图 图 4 2 是负载为 16W 是的波形图 图 4 1 负载为 8W 时原边波形图 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 28 图 4 2 负载为 16W 时原边波形图 根据 4 1 图与 4 2 图可以发现在 TNY279 内部集成的 MOS 开关管在关断的瞬间会在开 关管两端产生一个高的电压尖峰 在上面的波形可以看到尖峰的电压被嵌位在嵌位二极 管与输入整流滤波后电压之和以内 输入电压经整流滤波后的电压为 220 1 414 311 伏 嵌位二级管采用的是 P6KE200A 嵌位电压为 200V 加上输入2 O V 的 311V 就能将 MOS 开关管两端的电压嵌位在 510V 内 在 TNY279 内集成了一个耐压 值为 700V 的开关管 因此不会击穿 MOS 管 在上面的图 4 1 与 4 2 都可以看到尖峰电 压都低于 500V 因此不会对 MOS 管造成损坏 原边为什么会产生这样的尖峰电压了 为什么会出现不断减小幅度的几个波形了 原边的尖峰电压是由于漏感 变压器的漏感是指在能量传递过程中不能将能量传递给次 级线圈的那部分电感 产生的 这里的漏感是包含初级线圈与次级线圈的漏感之和 在 当集成在 TNY279 中的 MOS 开光管关闭的瞬间漏感上存储的能量不能传递给次级 由楞 次定律在漏感上产生的电压会加到输入电压的两端就会在 MOS 管的两端产生高的冲击电 压 因此一定要在初级线圈的两端加上嵌位电路 由于变压器中存在漏感同时变压器 中存在寄生电容 由于电路中存在电感与电容形成振荡所以会在上面形成几个波形 在 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 29 由于嵌位电路的吸收导致由于漏感产生的能量在几个周期被吸收 图 4 3 反激式开关电源原边电压波形 图 4 3 来源于 电源技术应用 周刊中的 单片开关电源的波形测试及分析 作者沙 占友 马洪涛 王彦朋 从上图可以看到跟我们测试的波形完全相同 在 4 1 与 4 2 图中 我们可以看到在不同负载下 MOS 开关管的占空比以是不同的 在反激式开关电源中初级 电感的作用是存储能量与能量传递的过程 因此在占空比不同就导致存储在初级电感中 的能量不同 4 24 2 开关管的占空比开关管的占空比 占空比在 MOS 开关管中指的是导通的时间与一个周期的比值 图 4 4 与 4 5 是在负 载为 16W 时的波形图 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 30 图 4 4 测量周期 T 图 4 5 测量开关管断开的时间 根据图 4 4 与图 4 5 可以知道开关芯片的一个周期时间为 7 380us MOS 管的断 开时间为 4 880us 因此在负载为 16W 时的占空比为 7 380 4 880 TtTD on 7 380 100 33 87 在 TNY279 芯片的说明书中 TNY279 芯片的最大占空比为 65 因此 完全能正常工作 4 34 3 开关电源的效率开关电源的效率 在满载时效率只能达到 73 电源的嵌位吸收电路发热比较的明显 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 31 4 3 14 3 1 漏感导致效率低漏感导致效率低 在嵌位电路上只是吸收漏感上存储的能量吗 答案不是在嵌位电路 漏感存储了能量 但是我们知道它到底存储了多少能量了 下面是我们计算在漏感上存储的全部能量 在 钳位二极管上消耗的能量还要大于原边存储的能量 在漏感上存储的能量是 其中的 L 是漏感 I 是电流漏感对效率的影响 2 2 1 PKLKP ILw 为了我们的理解我们可以将漏感看成是一个线圈它跟一次回路是窜连在一起的 当在开关断开的比较短的时间里 由楞次定律可以知道漏感线圈以是想减少电流的变化 将加大电流这样初级线圈以就跟着变化并且给漏感提供电流 通过齐纳二极管来续流这 样就导致有部分能量消耗掉 换句话就是 一次电感上的有部分能量被漏感二级管迅速 的拿走 因此在钳位二级管上消耗的能量将大与漏感上存储的总能量 4 3 24 3 2 励磁电流导致励磁电流导致 变压器励磁涌流是 变压器全电压充电时在其绕组中产生的暂态电流 变压器投入 前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方向相同时 其总磁通量远远 超过铁芯的饱和磁通量 因此产生极大的涌流 其中最大峰值可达到变压器额定电流的 6 8 倍 励磁涌流随变压器投入时系统电压的相角 变压器铁芯的剩余磁通和电源系统地 阻抗等因素而变化 最大涌流出现在变压器投入时电压经过零点瞬间 该时磁通为峰值 变压器涌流中含有直流分量和高次谐波分量 随时间衰减 其衰减时间取决于回路电阻 和电抗 一般大容量变压器约为 5 10 秒 小容量变压器约为 0 2 秒左右 由于在全电压 冲电时电流是额定电流的 6 8 倍因此在初级线圈上留过的电流比较大 铜损耗比较大 还 有一个因数就是初级线圈匝数少了导致在工作时磁通变化较大在磁芯上的损耗以就增大 导致磁芯发热 当磁芯的温度到达磁芯材料的居里温度后将导致磁芯失效导致初级线圈 短路烧毁电源 因此在设计变压器是一定要小心变压器的发热问题 4 3 34 3 3 原件及磁芯的选取原件及磁芯的选取 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 32 在反激式开关电源的输出整流二极管的滤波电容之间串联低频滤波电感 小磁珠电 感除外 其电感量仅为几微亨 是专门用来抑制高频干扰的 否则会在一次绕组上产生 很高的感应电压 容易造成功率开关管击穿损坏 12 输出电容的容量较大时 电源的效率会明显的降低 13 磁芯的选取 一般高频变压器的磁芯都选取用矫顽力较小的软磁铁氧体 开关电源 所用的铁氧体磁性材料应满足以下要求 1 具有较高的饱和磁通密度和较低的剩余磁通 从理论上来将高的磁通密度可以 减少反激式开关电源的变压器绕组匝数 2 具有较低的功率损耗 铁氧体的功率损耗 不仅影响电源的输出效率 同时会 导致磁芯发热 波形失真等不良后果 变压器的发热主要是由于变压器的铜损和磁芯损 耗导致 在设计变压器时如果磁芯的饱和磁通密度选择较低导致变压器的线圈匝数过度 会导致绕组发热 同时向磁芯传输热量 使磁芯发热 磁芯铁氧体的功率损耗 不仅与 材料有关还与工作频率成正比 选择铁氧体材料时 还要求功率损耗随温度的变化呈显 负温度系数的关系 这是因为 假如磁芯损耗为发热主体 使变压器温度上升 温度上 升又导致磁心损耗进一步增大 从而形成恶性循环 最终烧坏功率管与变压器及其他的 原件 3 具有适中的磁导率 铁氧体的相对磁导率通常在 1000 3000 之间 从理论上 讲 相对磁导率越高越好 但在工作频率升高的时候 相对磁导率越高 磁心损耗就越 大 因此 要根据实际电源的开关频率来决定相对磁导率的选择 4 具有较高的居里温度 铁氧体材料的居里温度一般在 220 左右 但是变压器 的实际温度不应高 80 这是因为在 100 以上时 其饱和磁通密度已跌到常温时的 70 因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重 当温度高于 100 时 其功耗随温度的变化已经呈正温度系数 将导致恶性循环 14 五邑大学本科毕业论文五邑大学本科毕业论文 33 4 44 4 单片机的电压 温度采集与单片机的电压 温度采集与 PWMPWM 控制控制 由于 LED 电源要求是电流恒定因此将采样电阻上采集的电压转换为电流显示 在不 同温度的情况下 LED 的内阻是不同的 LED 的发光亮度与流过 LED 的电流呈正比所以 在采样电阻上采集的电压转化为电流显示 温度对 LED 的影响是比较大的 温度过高导致 LED 光衰加快寿命减小 因此用 DS18B20 来采集温度