本科毕业论文--开关稳压电源

吉 林 农 业 大 学 本 科 毕 业 设 计 论文题目 ： 开关稳压电源 学生姓名： 专业年级： 电子信息科学与技术 指导教师： 职称 讲师 2009 年 6 月 2 日 吉林农业大学本科毕业设计 I 目 录 题目 . 摘要 . 关键词 . 1 前 言 . 关稳压电源的分类 . 关稳压电源原理及选用 . 出电流的选择 . 护电路 . 关电源技术的发展动向 . 2 方案比较与论证 . 换电路的方案比较 . 案论证 . 统总框图 . 回路拓扑 . 制方法及实现方案 . 片 . 统论证 . 高效率的方案及实现方案 . 3 电路设计及参数计算 . 源硬件电路的设计 . 源软件设计 . 回路器件的选择及参数计算 . 制电路设计及参数计算 . 率的分析及计算 . 关损耗 : . 护电路设计及参数计算 . 流保护和过压电路设计 : . 字设定设计及显示电路的设计 : . 字设定 . 压电流显示设计 : . 4 主程序清单 . 吉林农业大学本科毕业设计 口液晶显示芯片 介 . 4. 2 系统的主电路图 . 5 测试方法与数据 . 试仪器： . 试方法及测量数据 . 换器效率测试 . 统的测试 . 6 测试结果分析 . 7 结论 . 参考文献 . 致 谢 . 附录一 . 附录二 . 附录三 . 吉林农业大学本科毕业设计 I 开关稳压电源 学 生：常耘嘉 专 业：电子信息科学与技术 指导教师：宫鹤 摘要 ： 本系统设计采用一种具有高精度、高效率低纹波为特点的开关稳压电源，采用 12位高精度 A/隔离变压之后，用倍压管整流，再应用 路降压，实现 换，并用三个 成控制电路，产生 冲调制信号。用其信号反馈给 路的输入端，控制开关功率器件的开通和关断，最终能够简易的、高效率的实现电路控制。且具有键盘设定、步进、液晶显示键盘设定值等功能 ,实现了在 30 36V 的输出电压范围内任意设定电压 ,步进调整 ,步进值 1V,同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。 关键词 :重复控制 数字 制 变频电源 is a 2 / D in to of of to CU WM to of to a 30 6V V, ID of 吉林农业大学本科毕业设计 1 前 言 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源 1 ，开关电源一般由脉冲宽度调制（ 制 关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。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，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向 ，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。智能化进一步提高 , 便于实时监控 2约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 关稳压电源的分类 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 C/现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但 C 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 关稳压电源原理及选用 开关 开关 入电源 整个开关接通期间，电源 开关 入电源 见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供 ，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感 l、电容 二极管 d 组成的电路，就具有这种功能。电感 l 用以储存能量，在开关断开时，储存在电感 d 释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管 d 使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。在 的电压平均值 t*e 式中 开关每次接通的时间， t 为开关通断的工作周期（即开关接通时间 关断时间 由式可知，改变开关接通时间 和工作周期的比例， 吉林农业大学本科毕业设计 平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整 持不变。改变接通时间 工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（ 写为 按 三种方式： 一、脉冲宽度调制（ 写为 关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 二、脉冲频率调制（ 写为 通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 三、混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。 开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达 (1）。 出电流的选择 因开关电源工作效率高，一般可达到 80以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的 最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： 式中： 开关电源的额定输出电流； 用电设备的最大吸收电流； K 裕量系数，一般取 护电路 开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。 关电源技术的发展动向 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，因此国外各大开关电源制造商都致力于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（ 料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（ 获得高的磁性能， 吉林农业大学本科毕业设计 而电容器的小型化也是一项关键技术。 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、薄。开关电源的高频化就必然对传统的 关技术进行创新，实现 软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工 作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的 制成的 源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。 然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启 采用 冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对 1上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开 关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采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，而采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的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，以使得该项技术 得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使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。 2 方案比较与论证 整个系统可划分为控制模块， D/A/离变压器模块，整流滤波模块 ,换模块，键盘设定电压升降，液晶显示模块。参考下图。 吉林农业大学本科毕业设计 图 2 系统图 实现各模块的功能，设计了几种不同的方案并进行了论证。 换电路的方案比 较 方案一 : 换器 图 换器原理图 方案由场效应管 T，电感 L，电容 容 构成，由于效应管的导通电阻小，不存在二次击穿，以及肖特基的工作速度快，故可实现升压，降压。 称为直流斩波。斩波器的工作 方式有两种，一是脉宽调制方式 变，改变 用 )，二是 吉林农业大学本科毕业设计 频率调制方式， 变，改变 产生干扰）。其具体的电路由以下几类： （ 1） 降压斩波器，其输出平均电压 i，极性相同。 （ 2） 升压斩波器，其输出平均电压 i，极性相同。 （ 3） 路 降压或升压斩波器，其 输出平均电压 i，极性相反，电感传输。 （ 4） 降压或升压斩波器，其输出平均电 压 i，极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得 C 发生了质的飞跃，美国 司设计制造的多种C/最大输出功率有 300W、 600W、 800应的功率密度为 (10、 17)W/率为（ 80 90）。日本 司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块 开关频率为（ 200300)率密度已达到 27W/用同步整流器（ 使整个电路效率提高到 90。 方案二 :半桥谐振变换器 图 桥谐振变换器 原理图 方案采用半桥谐振变换电路，由两个场效应管构成半桥， 成谐振电 吉林农业大学本科毕业设计 路。采用软开关技术可以减少电力电子器件在开通和关断瞬间 ,加在电力电子器件两端的电压和通过电流的重叠时间，从而减少电力电子器件的开关损耗，同时抑制电压或电流过 冲的发生。 功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。 C 变换器输入为 50/60交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如 ）及 令的限制（如 交流输入侧必须加 样就限制 C 电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决 度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了 C 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。 开关电源的结构如图 1所示。首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后再经整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。电路设计及布局 不合理、机械振动、接地不良等都会形成内部电磁干扰。同时，变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也是潜在的强干扰源 。 图 C 开关电源基本框图 DC 案三： 换器是一种降低直流电压的变换电路，它是由开关 S、电感 L、电容 C、输入直流电压和电阻负载 组成。这里理想的开关采用的是 率达林顿三极管 吉林农业大学本科毕业设计 和肖特基二极管。 0A，而且管饱和压降小。肖特基二极管导通速度快，压降小，反向恢复时间短 方案一使用的是硬开关 ,开关损耗大 ,效率低，方案二的设计使用软开关 , 但经过实验证明，该电路电流峰值大，电压控制特性差，其控制电路复杂，效率难以达到指标要求。相比之下 ,方案三采用硬开关技术，电路简单，也容易控制，更容易得到较高的精度和更稳定的输出 ,效率也高。因此 ,本系统采用方案三。 案论证 统总框图 图 系统总体框图 回路拓扑 吉林农业大学本科毕业设计 图 回路拓扑图 控制方法及实现方案 本方案利用 A/D、键盘共同控制 时从电流取样电阻取出电流信号，经 A/给 处理，由液晶显示电压、电流、和功率出来。另一方面电压信号经另一 A/给 处理后在传到 ,和保护电路的信号一起控制 ， 处理后产生 动信号，信号再次驱动 换电路中的 而驱动 小型 进行处理。 片 吉林农业大学本科毕业设计 图 部功能方框图与基本单元电路 引脚说明 1、 2和 16、 15脚分别为两个误差放大器的同相向和反相输入端，两个误差放大器可构成电压反馈 调节器和电流反馈调节器，分别控制输出电压的稳定和输出过流的保护。 3脚为两个放大器公共输出端，也称补偿端。 8、 11、 12为电源端， 7脚为地， 14脚为参考电平，正常工作时，输出标准的 5V 电压。 13脚为输出方式控制端，当该脚为高电平时，形成双路输出方式，若为低电平时，则为同步工作方式 。 工作方式 输出脉冲的宽度调制，是通过电容器 C 上的正极性锯齿波电压与其他两个控制信号电压进行比较来实现的。激励输出管 2的或非门工作状态，是只有在双稳态触发器的时钟输入为低电平时才选通，这种情形只有在锯齿被电压大于控制信 号时出现。因此，控制信号幅度的增大，将相应地使输出脉冲的宽度线性减小。 控制信号由 部输入，一路选到死区时间比较器控制端，一路送到两误差放大器输入端，又称 区时间控制比较器具有 120限制最小输出死区时间近似等于锯齿波周期时间的 4。在输出控制接地时，将使最大占空系数为己知输出的 96；而在输出接参考电平时，占空比则是给定输出的 48。 集成了全部的脉宽调制电路。 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。 内置误差 放大器。 内止 5 可调整死区时间。 内置功率晶体管可提供 500统论证 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（ 制 吉林农业大学本科毕业设计 构成。本开关电源设计采用脉宽调制方式，由主回路和控制回路两大部分组成，主环节是输入滤波器、整流器、功率因数校正环节、主开关管、高频变压器、低通滤波器、反馈电阻分压器，电压驱动型脉宽调制器件 过分压器、比较放大器，形 成电压负反馈环节，是输出电压稳定。本电源还扩展了部分功能，采用 出电流进行采集并在液晶屏显示，并且对输出电压扩展了键盘输入控制和输出电压的步进功能。 经过仔细分析和论证，决定电源各部分所实现功能如下： （ 1） 整流与滤波：根据 流桥和电容将输入有效值 18V 的交流电转换为直（ 2） （ 3） 控制方式：采用 51单片机和液晶屏幕显示，输出电压可进行键盘输入控制和步 进控制 。 （ 4）过流保护：输出电流超过电源指标值时采用过流保护，电源输入断开， 51 单片机重启。 高效率的方案及实现方案 然它是硬开关，但它的电路简单，最重要的是它的效率高。它的控制电路也很简单。 而不是普通的二极管。因为肖特基二极管较低的起始正向压降也有利于改善低电压功率变流器的工作频率。而且肖特基二极管的工作频率可以高达兆赫兹 ,特别适合于在高速开关电路中应用。当晶体管导通时，此时输入电压 向负载 传递能量， 感储能增加。当晶体管 于电感电流 导通续流，电感上的能量逐步消耗在电阻 该电路还采用了 个管子的特性较好，它的电流大约10A，而且管饱和压降小，为提高效率起到关键作用。 3 电路设计及参数计算 源硬件电路的设计 开关电源由以下几个部分组成： 一、主电路：完成从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产 生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 二、控制电路： 一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保 吉林农业大学本科毕业设计 护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。 三、检测电路： 除了提供保护电路中正 在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。 a 主回路器件选择及参数计算 换器是开关电源的主要组成部分，它是转换的核心，涉及频率变换。我们采用的是 置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下： C g 输出脉冲的宽度是通过电容 的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管 2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为 低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。 =输出功率 /输入功率，要提高效率就要减少损耗，这样就可以达到题中所要求的指标。当求解电路的优化模型时，可先假设变压器损耗 。最优解包括最优设计变量及最小电路的总重量。同时也可以计算出开关电流峰值，电感电流有效值及导通比等，作为变压器优化设计模型，得到变压器的最小重量及最优设计参数，并可计算出变压器的功耗 源软件设计 本电源的采用了 出电流进行采集并将其显示于液晶屏，可以直观的观察到电源的工作状态。电源还实现了监控功能，可以利用键盘输入直接在输出端获得期望电压。而且利用单片机的控制，输出端还具备了电压步进功能。当电源输出端输出电流大于 源输入端将断电，源输出电压预置为 30V。电源恢复正常工作。 吉林农业大学本科毕业设计 图 流程图 回路器件的选择及参数计算 电感的取值 :220 本方案选择的是 率场效应管，因其承受电流应大于 ( 电感电流的纹波 ,本方案取值为 1A)，符合本方案的要求。 证明如下： 3,220,30,502）为可调的占空比（ Ii 1A+能够承受，因此被选用。 吉林农业大学本科毕业设计 制电路设计及参数计算 3A / D M C U #1A / D M C U #2K E U #3显示 电压电流功率过流过压保护产生 P W M 波形电流取样电阻电压信号图 控制电路原理图 方案通过改变占空比 强输出电压调节灵敏度，参数计算如下： 化范围为 2212215 ，即 化范围为 30V36V。 得到 0%85%。 率的分析及计算 率场效应管 通损耗 : (2 关损耗 : 它们大小几乎相同 ,则参数计算如下 : 02335 0 0 W 护电路设计及参数计算 流保护和过压电路设计 : 本方案采用 转换器对电压电流进行采样，将采样信号送给 1进行处理，若出现电压大于最大电压值，即过压或过流现象，则 会产生保护信号送给 ，这时 不会产生 是延时 5秒钟， 吉林农业大学本科毕业设计 在开始工作 监控电压数值 字设定设计及显示电路的设计 : 字设定 A 信号P W 数字设定框图 of 电压电流显示设计 : 图 电压电流显示设计原理图 由电位器取出电压值，由此，使它们相成得到功率，送到双路 A/送给单片机处理，控制 出显示。 4 串口液晶显示芯片 介 驱动器，其中包括足够的 分点 个 芯片可以驱动一个完整的点液晶显示屏组成的多达 132 x 65点。 吉林农业大学本科毕业设计 该芯片适用于手机，日语或中文寻呼机，和其他装置的显示器 特征 驱动器，带有片上显示 能够操作使用 +3- 芯片助推器电路：开关的 3倍和 4倍之间的模式 132 x 65位 产出： 132个部分， 65个商品 串行或 8位并行数据输入（可切换 80至 68 系列处理器） 芯片电 阻分压器 可选的偏置设置（可设置为 1月 9日或 1 / 7 的偏见） 芯片振荡电路 序流程图 Y Y N N 上升键按下 开始 采集电压 下降键按下 电压 值增 电压值降 控制 出固定占空比 吉林农业大学本科毕业设计 吉林农业大学本科毕业设计 吉林农业大学本科毕业设计 统的主电路图 图 系统主电路图 测试方法与数据 试仪器： 字万用表、 位半数字万用表、 万能电桥、 试方法及测量数据 使系统运行 ,参照题目要求进行多次实际定量测量 ,得到该系统的测量结果及指标数据。 换器效率测试 用四位