开关电源毕业论文-超磁致伸缩换能器的高频驱动电源实验研究

超磁致伸缩换能器的高频驱动电源实验研究第一章 绪论1.1研究现状及发展方向 传统的开关电源是采用模拟技术进行控制的,随着时代的发展,数字控制逐渐取代了模拟控制,在高频开关电源中的应用越来越广泛。顺应这一潮流,技术人员纷纷开发高性能的智能电源,并在一些领域获得了初步的应用。开关电源的发展是与人们对半导体器件以及磁性元件等的研究探索相辅相成的,开关电源的发展刺激了相关元件的发展,而相关元件的不断发展又反过来为开关电源的发展提供了强大支持。只有不断提高功率器件以及高频电磁元件的性能,才能为高频开关电源的发展提供源源不断的动力。根据我们课题组的项目需求，需要为一款磁致伸缩换能器设计一个可调频的高频电源，为此我们做了相关设计和实验，下面给出硬件和软件部分的设计和实验结果。1.2 实验目的和意义第二章 硬件电路设计与实验实验硬件部分 根据项目需求，需要做一个可实时调频的高频开关电源，要求输入电压为工频220V交流电压源，输出为10K-50KHZ的可实时调频的电压，采用DSP2812芯片作为主控制芯片。2.1 直流供电电源图5.1 直流供电电源原理图该部分为直流供电电源原理图，主要为驱动电路和运算放大电路提供稳定的直流电源信号。首先，工频220V交流信号经过一个带中心抽头的变压器，该变压器有三根引线，提供18V*2交流电压，即两个18V的交流电压信号，图5.2为该电压波形。变压器二次侧输出的交流信号经过桥式整流电路整流成直流电路，电解电容C11起到稳压的作用，相当于一个直流电压源，其电压值约为24V，如图5.3所示。LM7815是三端正稳压器电路，输出稳定的+15V电压信号，为驱动电路和运算放大电路提供电源信号，图5.4为稳压管输出的电压信号。图5.2变压器二次侧交流电压波形图5.3 电解电容C11两端电压波形图5.4稳压管输出电压波形2.2 光电隔离和驱动电路由于DSP2812芯片输出的PWM控制信号高电平仅为3.3V，驱动能力非常有限，而驱动逆变电路中的全控型整流器件MOSFET需要1020V的驱动电压，因此如果利用DSP直接控制MOSFET的通断，需要中间加驱动电路。驱动电路分为直接驱动和隔离驱动。采用隔离驱动时，电路在发挥驱动功能的同时将控制电路和主电路电气关系隔离，以免相互影响，本设计采用隔离驱动。隔离方式有光电隔离和电磁隔离。光电隔离具有体积小、结构简单和隔离效果好等优点，但其共模抑制能力差，传输速度悭，采用高速光耦成本也比较高。本设电路计中的逆变器采用IR公司的专用驱动芯片IR2110，它兼有光电隔离和电磁隔离的优点，工作频率可达500KHZ，速度快，高端悬浮自举电源的设计使得电路应用简便。参考文献引用驱动电路如图2.1所示。图2.1 光电隔离和驱动电路图2.2 驱动电路实物图2.2所示是驱动电路实物，采用5个TLP250贴片型光耦隔离芯片，2个直插型IR2110驱动芯片和1个场效应管专用驱动芯片IRS21850贴片型芯片。图2.3是DSP输出的PWM信号，由图可看出这是一对带有死区时间的对称PWM信号，该信号频率约为20KHZ，占空比为50%，死区时间约为5。从图中可以看出，输出信号整体比较平稳，但还存在时间很短的正的和负的尖峰脉冲信号且有一定的扰动。图2.3 DSP芯片输出的PWM信号隔离电路采用日本东芝公司生产的TLP250光电隔离芯片，其工作原理图如图2.4所示，利用光电耦合原理，2号管脚接DSP开发板上的+5V信号，3号管脚接DSP开发板输出的PWM信号，当输入PWM信号为低时，发光二极管通电发亮，右边的光敏二极管负责接收左边2,3脚LED发出的光，产生一个光电流信号，也就是电信号转化为光信号，光信号再转化为电信号，这样就实现了信号的光电隔离为什么加光电隔离。由于光电流信号一般只有几微安，所以需要用放大电路将该信号放大，经过放大的信号由6，7脚输出。当输入PWM信号为高电平时，2,3脚LED不发光，芯片6,7脚输出低电平信号。图2.5为开发板输出的PWM信号经过光电隔离芯片TLP250输出的信号，由图可看出输出高电平信号变为15V，同时信号存在一个18V左右的尖峰脉冲。图2.4 TLP250工作原理图图2.5 经过光电隔离电路输出的PWM信号2.3主电路根据设计需求，先做了一个测试电路，主电路如图3所示，220V工频电压源经过变压器输出工频24V交流电，再经过单相桥式整流电路，输出18V直流电。再经过逆变电路，该逆变电路采用单相半桥电压型逆变电路。采用两个MOSFET作为全控型器件，该器件采用IR公司的IRFPC40电力MOSFET，利用驱动电路输出的PWM信号控制MOSFET的关断，从而实现输出不同频率、不同占空比的交流电。图3 主电路图4实验测试平台 根据实验需求搭建了一个实验平台，并进行了相关的测试，后面会给出相关测试结果，并且根据相关测试又进行了进一步的实验电路的设计，如图5所示。图5 进一步主电路设计1. 实验软件部分本设计采用TI公司的DSP2812作为控制芯片，用CCS软件进行相关的程序编写，实验用开发板如图6所示。该设计主要采用DSP2812芯片的ADC采样模块和事件管理器EV模块，利用中断模式来进行相应的编写，下面给出CCS软件程序编译界面。2. 实验结果与分析 根据原理图设计，制作了PCB板，并连接各个模块做了一些实验，下面是一些实验结果。图7是一对可调频的占空比为50%的PWM输出波形，这是由DSP2812芯片输出的可调频的一对对称的带有死区时间的PWM信号，再经过带光电隔离的驱动电路输出的电压为15V的PWM驱动信号。图7 PWM输出信号图8是实验测试的电源输出信号，由图可看出，电压正负峰值均为20V，频率约为20KHZ的方波信号。同时也可看出输出的电压信号波形有些失真，谐波干扰严重，输出信号不稳定。目前存在的问题可能是由以下几个方面引起的， 一、软些编写还存在问题，没有加入滤波算法，ADC采样输入信号不稳定，采样不精确，PWM输出波形不稳定。2、 因为信号频率比较高，在电磁兼容性等方面存在问题，电磁干扰较大。3、 硬件电路设计还不完善，还需在设计中加入一些滤波电路。4、 信号隔离效果还不太理想，输入波形和输出波形之间还存在一定偏差，目前正在考虑加入逻辑门电路和减小输出电阻来进行调试。如图，采用了74LS00N与非门逻辑门电路，该芯片有四路独立的与非门逻辑电路。图8 实验测试的电源输出信号根据该设计及实验做出如下总结：1、 进行电路设计必须具备扎实的理论基础，如果不了解各个器件的特性以及电路原理，就会在设计和实验过程中出现很多错误。2、 现在市场上的器件和芯片种类繁多，封装结构各异，在做PCB板封装时必须对所用器件都有所了解，不然在焊接电路板和购买元器件时会出现很多问题。3、 在实验过