课程设计(090505221).doc

漳州师范学院课程设计报告开关电源之Buck Chopper设计姓 名： 徐军 学 号： 090505221 系 别： 物理与电子信息工程系 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 09级 指导老师： 许艳萍 2012年05月08日1 设计题目开关电源之Buck Chopper设计2 系统整体设计2.1 系统设计要求2.1.1 基本要求（1） 以单片机（任选）产生PWM控制信号；（2） 开关频率10KHZ以上；（3） 输入DC-24V,输出（DC-12V0.5）V,输出额定功率24W；（4） 3A过流保护；（5） 转换效率大于等于60%；2.1.2 发挥要求（1） 显示当前输出电流电压值；2.2 系统设计总体框架本设计总体框图如图1所示，系统分为五部分：主电路1（斩波开关电路、低通滤波电路、续流电路）、控制电路（过电流和过电压报警电路、模数转换电路、电压采样电路、复位电路、时钟信号电路）、信号隔离与驱动电路、电源电路6。主电路即直流斩波电路把输入的24的直流电压变为直流12V电压稳定输出；控制电路实现变换器的实时控制，综合给定和反馈信号,微控制器处理后为斩波开关器件提供开通、关断信号和保护功能；信号隔离驱动电路完成信号的隔离和为斩波开关器件提供脉冲驱动信号；电压采样电路采集电压信号，输出电压模拟量，通过A/D转换器转换成微控制器能处理的数字量；电流保护电路防止系统过电流而损坏器件；低压电源电路为系统提供稳定的5V工作电压；低通滤波电路由电感和电容组成，起到滤波的作用，减低输出纹波，使输出稳定；续流电路的作用为：当斩波开关关闭时，电路中电流能连续流过负载。斩波开关隔离驱动动PFM信号微控制器过电流信号电压采样A/D低通滤波低压电源续流DC输出图2-1系统框图3 系统硬件设计3.1 主电路设计主电路如图3-1。图3-1 BUCK主电路主电路由续流二极管、斩波开关器件T1（MOSFET）、滤波电感组成。3.1.1主电路工作原理如图3-1所示，控制电路产生开关信号控制斩波开关T1（MOSFET）导通与截止，电感L1、电容C2 C3起到低通滤波作用，在斩波开关T1截止期间由二极管D1完成续流。在实际工作时，当单片机产生的PWM脉冲使T1（MOSFET）导通后，电容C2 C3开始充电，输出电压加到负载R两端。在C2 C3充电过程中，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，此时，续流二极管因反向偏置而截止，经过开通时间后，当控制信号使MOSFET截止时，在 两端产生的感应电势使二极管导通，中储存的能量便通过续流二极管完成续流，同时将能量供给负载。经过关断时间后，控制脉冲又使MOSFETI导通，上述过程重复发生3.1.2本设计主电路参数的计算与选型1、斩波开关MOSFET参数的计算与选型主电路见图3-1所示，由于主电路输入直流电压最高为24V，为防止电路中偶然出现的较大的瞬时过电压击穿MOSFET，器件参数应留有足够的安全裕量，所以选择MOSFET的额定电压的值为其在电路中正常工作峰值电压的2-3倍，即额定电压。工作电流定额同样根据电路实际输出最大值并留有足够余地，因已知电路最大输出电流为3A，因此可以可选择额定电流为9A。综上所述，选择IRF3205型MOSFET.（这样，器件的安全系数已足够大）。2、电感的计算2 在主电路中电感的作用为滤波、能量转换及减小电流变换率.在此次课程设计中，电感选取成为一主要问题，在理论计算中3、电容的计算电容是滤波电容，它可以使输出电压稳定。通常在设计时根据负载的情况选择电容的值，使。又负载电阻， ，把数据代入式可求得，为使滤波效果更佳，所以选择电容=1000F。又输出为稳压电压24V，为了留有裕量，可以选则的电压为。根据上面所述可选择电容为1000F/50V的电解电容6。4、 电容的计算 电容是输入滤波电容，以减小输入电压的波动。由于输入电压最大为350V,且考虑留有一定裕度，可以取电容的额定电压为，实际中选择600V。通常在设计时根据负载的情况选择电容的值，使。因为斩波电路的输入电压可能是50HZ的交流电经过整流得到的，故此处为0.02s。由于输入阻抗与输出阻抗的比值等于占空比的平方，即可以求得，根据式，代入数据可以求出为，电容取标准值的电解电容器。5、二极管的计算二极管的作用是在IGBT关断时，能够迅速地把电感储存的能量释放，防止电感L1储存的能量无处释放而感应出高压击穿开关器件，所以起着续流作用6。由于主电路最大输入电压为350V，当IGBT导通时所承受的反向电压即为350V，为考虑留有一定裕度，取二极管的反向电压为。又因为当IGBT关断期间，续流的电流值最大为5A，即为负载电流，为留有余地，可取电流值为10A，可选择型号为HFA15TB60的快恢复二极管。其中15代表额定电流为15A，60代表额定电压为600V。6、二极管的计算电阻为电流采样电阻。由采样要求可知电阻消耗的功率不能过大，过大就会消耗过多的功率，而过小则产生的电流信号微弱；另外根据模数转换器的性能，只有足够大的采样信号，才能使误差最小，基于上述考虑可以让电阻两端的电流信号电压为0.2V，由此得出电阻值为，消耗的功率为，其中5A为流过负载的最大电流，所以选用电阻的参数为40m/1W。3.2 控制电路设计控制电路如图3-2所示，控制电路由微控制器加外围电路组成。控制电路实现变换器的实时控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号和保护信号。控制电路实现实时控制，产生PWM信号。微控制器选用单片机，其外围电路由时钟信号电路、复位电路和报警电路组成。时钟电路和复位电路是单片机系统的必要组成部分，控制单片机的机器周期和功能复位。由微控制器的一个位口输出占空比可调的脉冲信号，经过TLP250光耦放大器进行电气隔离及功率放大，进而控制MOSFET的开通和关断。 图3-2 控制电路原理图3.2.1模数转换电路设计系统中采集的是电压和电流信号，皆是模拟量，需要通过A/D转换器转换成单片机能处理的数字量。利用A/D方法进行数据采集系统设计时，需要考虑三方面的内容：一个方面是如何针对系统的需求选择合适的A/D器件，二是根据选择的A/D器件设计外围电路和单片机的接口电路，三是如何编写控制A/D器件进行数据采集的单片机程序。基于以上三方面的考虑，模数转换器件选择ADC0832模数转换器。模数转换电路如图3-2中所示，模数转换电路主要由ADC0832模数转换器和外围电路组成。而ADC0832模数转换器由2路模拟开关外围电路、地址锁存与译码、8位A/D转换器、三态输出锁存器组成。模数转换器ADC0832的主要性能为：分辨率为8位；单+5V供电；模拟输入电压范围为0到+5V；具有锁存控制的2路输入模拟开关；可锁存三态输出与TTL电平兼容；功耗为15mW；不必进行零点和满度调整；转换速度取决于芯片外接的时钟频率；容易和各种微处理器相连。由于AD转换器ADC0832具有以上特点 ，所以选择它作为本系统的模数转换器较为合适。由于ADC0832的分辨率为8位，转换时间为100s, 数据输出端内部具有三态输出锁存器，可与单片机数据总线直接相连，通过程序控制对2个模拟量中的一个模拟量进行转换。系统中安排ADC0832的通道0检测斩波器的输出直流电压，由CPU读入后与给定值比较，进行分析析计算，通过单片机89S52产生PWM信号来调节占空比，构成闭环控制，从而使输出值与期望值相符。1、输出电压采样电路输出电压采样电路如图3-3所示，由,及电位器RW串联分压组成。通过电位器RW在调试时进行校准。图3-32、输出电流采样电路输出电流采样电路如图3-4所示。输出电流经转换成电压，输入到LM358的同相端，由LM358及其外围电路构成的放大电路对转换电压进行放大。图3-43.3 人机界面设计人机界面电路如图3-4所示，由4位共阳数码管及其外围电路组成显示电路，显示当前输出电压电流值（通过按键切换电压与电流显示。蜂鸣器在发生过流保护时，通过P2.2端口输出低电平发出警报。 图3-4 人机界面3.4信号的隔离与驱动电路设计信号隔离驱动电路如图3-5所示，采用光耦TLP250，由端口P3.4输出的PWM信号经过TLP250隔离放大，直接驱动MOSFET。TLP250由15V外加电源供电。稳压二极管钳位电压使输出不超过18V。图3-5 光耦驱动电路3.5电源电路设计图3-5 辅助电源输入24V电压经过稳压片7805产生5V的稳定电压，提供给单片机AT89S52，ADC0832以及蜂鸣器和显示电路电源。其电路如图3-6所示。分别为输入滤波电容和输出滤波电容，其实的耐压值为50V。LED为电源灯，当5V电源提供时，LED亮。4 软件设计软件部分实现的功能有： PWM信号输出、显示输出电压电流值、实现调整占空比稳压、实现过流保护。系统主程序流程图如图4.1所示。图4-1 程序流程图5 系统测试与分析5.1 测试工具数字万用表、功率电阻、数字示波器等。5.2 PWM测试结果与分析MOSFET门极驱动波形如图5-1,其频率达到12.43KHZ，达到预期开关频率。占空比为66/80，峰峰值为15V。5.3电压电流采样及显示测试图5-1 MOSFET门极驱动波形图图5-2 装置显示及整体图经过调校电位器及程序，显示电路能准确显示出当前电压电流值。其装置显示图片如图5-2。5.4输出电压电流测试当装置输入24V电源时，输入能稳定在12V0.5V,并且在输入电压在24V左右变动时，输出也能稳定在此区间。通过改变负载功率滑动变阻器，输出电流可达到额定电流3A.6 总结与展望总结通过紧张的三周积极准备和不断地实验，翻阅大量的相关资料，以及在网上不断的收索学校，终于完成了本次电力电子课程设计关于BUCK变换器的设计任务。在设计中，遇到了不少困难与问题，但最终在自己的不断尝试下都得到了解决。可以说本次的课程设计，对自己来说，不仅是一次知识上的扩展，更是意志与信心上的一种锻炼，学习如何完成一个项目。刚开始看到关于BUCK变换器的设计的时候，说实在话在自己脑海中是没多大印象的，看到题目这么简洁认为也不会很难，首先上网百度了一下才知道BUCK变换器就是降压斩波电路，于是找来电力电子教材看了降压斩波方面的知识，发现那原理图很简单，但很快意识到有范围的直流电压应该怎么来，然后又上网找了BUCK变换器的参数怎么计算和选择，后来发现了一个问题，就是怎么找到合适的驱动电路驱动MOSFET。我经过上网查询各种驱动电路终究还是没有找到合适驱动电路，最后在前辈和老师的指点下我知道了运用TLP250光耦放大驱动MOSFET.在硬件调试上，发现PWM波没有按照预先的产生，经过上网论坛求助发现可能是电感选取不够大，于是换了一个感值相对较大的电感，PWM能正常产生。在辅助电源上的问题，听从前辈意见采用15V电源外部提供的方法给TLP250提供电压。具体原因现在也不是太明白，希望以后能解决掉这个问题。 本次设计实现了BUCK变换器简单的运用，对有关电力电子的知识有进一步的认识与了解，并且对软件编程有了一个很大提高。对自己的综合能力的提高起到很大的助力，相信这次经历对自己在今后的课程设计中有很大的帮助。展望本系统虽然基本上完成了设计要求，但是还有部分需要进行改善、提高：（1） 在过流保护部分，由于软件的问题没能达到，希望在今后的编程学习上能找到好的方法解决。（2） 装置需要外部提供一个15V的外接电源，显得过为麻烦。在这里，我还要感谢指导老师许艳萍老师、以及前辈学长对我课程设计全程指导和鼓励。参考文献1王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000,33、138-145.2李俊生.单片机控制的直流斩波电路 DB.中国期刊全文数据库.附录附录1系统设计实物图附录2系统原理图附录4PCB布线图附录5程序清单#include #include intrins.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define shuma P0/定义数码管数据和控制位#define V_TH0 0XFF#define V_TMOD 0X01 /ADC0832的引脚sbit ADCS =P32; /ADC0832 chip seclectsbit ADDI =P30; /ADC0832 k insbit ADDO =P30; /ADC0832 k outsbit ADCLK =P31;/ADC0832 clock signalsbit s1=P10; sbit xsd=P07;sbit PWM=P34;sbit we1=P24;sbit we2=P25;sbit we3=P26;sbit we4=P27;sbit beef=P22;uint temp;uchar getdata; uchar channel,nb;uchar dispbitcode8=0xf7,0xfb,0xfd,/*0xfe,0xef,0xdf,0xbf,0x7f*/; /位扫描uchar dispbuf4;uchar his_TH0=0xff;/60us计数初值 uchar his_TL0=0x88;uchar tl0;uchar sta=0;void TPWM();/调节脉宽程序void key(); /键扫描程序void AD();/AD程序void delayms(uint x);void delay(unsigned int x);/声明数码管显示函数void display1(unsigned char d1,unsigned char d2,unsigned char d3,unsigned char d4);unsigned char code V_TL0=0XEC,0XD8,0XC4,0XB0,0X9C,0X92,0X90,0X8E,0X8C,0XFC,0XFA,0XF8,0XF6,0XEC,0XD8,0XC4,0XB0,0X9C;/中断时间/获取ADC转换回来的值unsigned char a16=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e; /共阳极数码管的段码0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F/* 数码管显示需要的延时函数*/void delay(unsigned int x) unsigned int i; for(i=0;i0;i-)for(j=240;j0;j-);/* 数码管显示*/void display1(unsigned char d1,unsigned char d2,unsigned char d3,unsigned char d4)switch(sta)case 0:shuma=ad1;P2=0x80;sta=1;break;case 1:shuma=ad2;P2=0x40;xsd=0;sta=2;break;case 2:shuma=ad3;P2=0x20;sta=3;break;case 3:shuma=ad4;P2=0x10;sta=0;break;default:break;/* shuma=ad1;/选中第一位，发送第一位段码 we1=0; delay(100); we1=1; shuma=ad2;/选中第二位，发送第二位段码 xsd=0;we2=0; delay(100); we2=1; shuma=ad3;/选中第三位，发送第三位段码 we3=0; delay(100); we3=1; shuma=ad4;/选中第四位，发送第四位段码 we4=0; delay(100); we4=1; */*读ADC0832函数*/unsigned int Adc0832(unsigned char channel) uchar i=0;uchar j;uint dat=0;uchar ndat=0;if(channel=0)channel=2;/通道选择if(channel=1)channel=3;ADDI=1;_nop_();_nop_();ADCS=0;/拉低CS端_nop_();_nop_();ADCLK=1;/拉高CLK端_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿1_nop_();_nop_();ADCLK=1;/拉高CLK端ADDI=channel&0x1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿2_nop_();_nop_();ADCLK=1;/拉高CLK端ADDI=(channel1)&0x1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI=1;/控制命令结束 _nop_();_nop_();dat=0;for(i=0;i8;i+)dat|=ADDO;/收数据ADCLK=1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;/形成一次时钟脉冲_nop_();_nop_();dat=1;if(i=7)dat|=ADDO; for(i=0;i8;i+)j=0;j=j|ADDO;/收数据ADCLK=1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;/形成一次时钟脉冲_nop_();_nop_();j=j7;ndat=ndat|j;if(i=1;ADCS=1;/拉低CS端ADCLK=0;/拉低CLK端ADDO=1;/拉高数据端,回到初始状态dat=8;dat|=ndat; return(dat); /返回得到的值/*void disp(void)if(90=getdata=105)getdata=Adc0832(0);/调用函数返回A/D值tem