数控开关电源开题报告

毕业设计开题报告题目名称数控开关电源的设计选题方向单片机数控技术学生姓名专业通信工程年级、班级通信班一、选题的来源、目的、意义和基本内容来源本选题来自学院选题指南。目的通过单片机的44键盘的键控或程控,对开关电源的输出电压进行设定，分析比较输出电压采用调宽还是调频方式控制，选择合适的单片机类型与控制方式相对，从而实现数控开关电源的功能。意义电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性与可靠性。而开关电源是目前应用最为广泛的一种新式电源装置，由于其小型化、轻量化、高效率、可大量节约能源等显著优点而深受人们的青睬，并被广泛应用于电子计算机、电视机、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备等领域中。近年来，随着电子信息产业的迅速发展，人们对开关电源的需求也与日俱增。开关电源的开发与制造已成为了方兴未艾、发展前景十分诱人的朝阳产业。而怎样使开关电源在低成本情况下实现高精度的数控化调控成了人们研究的热点。基本内容本文详细分析了高性能、大功率直流开关电源的工作原理，并提出了主电路和控制电路的设计方案。在此基础上，完成了整个系统的硬件电路设计，并对电源装置的硬件进行了调试和修改。在分析原理的基础上，本文从输入电路、输出电路、控制电路、高频变压器、滤波电路等环节对该系统的主电路进行了阐述。本文研制的直流开关电源具有输出电压固定、输出电流大、波纹小等特点。二、国内外研究综述电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。日前，随着单片开关电源集成电路的应用，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。最近两年来，国外些著名的一些芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的基础。随着单片机技术的发展和控制理论研究的深入，开关电源的数字化控制也从比较简单的MCU加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。实时性和多任务的要求使双CPU结构得到了更加广泛的应用。目前开关电源的发展，主要朝着更高的功能密度和变换效率及更好的动态特性，更好的环保性能，智能化与高可靠性，更广泛的应用等方面发展。三、参考文献1张占松，蔡宣三著开关电源的原理与设计（修订版）M北京电子工业出版社，200510982周志敏，周纪海，纪爱华著现代开关电源控制电路设计及应用M北京人民邮电出版社，20051531943沙占友新型单片开关电源的设计与应用M北京电子工业出版社，2001794赵同贺开关电源设计技术与应用实例M北京人民邮电出版社，2007193四、毕业设计所使用的方法1针对目前数控开关电源实现方法的分析，比较可选择的方案中的最优项。2分析开关电源的控制方式及原理，确立系统的研究方向。3根据设计原理制定设计方案，绘制电路原理图。4使用PROTUES软件对实验电路进行仿真、测试、分析。五、指导教师意见指导教师签名年月日五、学院毕业论文领导小组审核意见领导小组组长签名年月日毕业设计开题报告（2012届）题目数控开关电源的设计学院物理电气信息学院专业通信工程年级2009级学生学号学生姓名指导教师2012年11月15日1选题的目的和意义开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、高效、轻量的特点被广泛应用于各种电子设备中。开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号来设计和工作的，其抗干扰能力不太好，信号有畸变。电源作为各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能优劣直接影响到整个电子系统的性能指标。随着科技的发展，电子设备不断更新换代，其种类越来越多，对电源的性能指标的要求越来越高，加之不同的电子设备对电源的要求又不尽相同，这样，给电源的研究带来了许多新的研究课题。在传统功率电子技术中，DC/DC变换器控制部分是按模拟信号进行设计和工作的。在六、七十年代，功率电子技术完全建立在模拟电路的基础上。但是近年来，随着数字信号处理技术的日益完善、成熟，微处理器/微控制器和数字信号处理器的性价比不断提高，数字控制在功率变换器中得到广泛应用。它使得开关电源向数字化、智能化、多功能化方向发展。这无疑提高了开关电源的性能和可靠性。例如电机、不间断电源（UPS）的控制电路都选用各种数字信号处理器或微处理器作为其核心控制部件。功率变换器已由模拟控制、模数混合控制，进入全数字化控制阶段。相对于模拟控制，数字控制有许多优点1（1）数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能。由于开关器件的存在，功率变换器是强非线性系统。传统的模拟控制是在功率变换器近似线性模型的基础上，利用线性系统的各种设计方法来设计补偿网络，这种方法设计简单且容易实现。但随着对电源性能指标的要求不断提高，这种设计方法很难提高系统的控制性能。而数字控制可以实现各种非线性控制策略，使得控制系统的性能大大提高。（2）数字控制系统具有很强的抗干扰能力。模拟元器件易受环境和温度的变化影响，所以模拟控制器稳定性差。数字控制器较少受到器件老化、环境或参数变化的影响，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。（3）数字控制系统灵活性高，数字化极大地简化了变换器控制的硬件。采用数字控制技术可以设计统一的硬件平台，适用不同的变换器系统，只通过软件的改变就可以改变控制策略，无须硬件更改，同时，数字控制系统更容易实现过压、过流保护、输出电压调节、故障监测及通讯等功能，使电源“智能化”。总之，对功率变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量离散元器件的参数，这就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能，由模拟控制向数字控制的转变是电力电子功率变换器的一大发展趋势。2开关电源的发展历史开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20KHZ脉冲频率或脉冲宽度调制PWM开关电源效率可达6570，而线性电源的效率只有3040。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20KHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20KHZ革命。随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。3我国开关电源历程我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源的研制工作始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初开始研制无工频变压器开关稳压电源。近10多年来，许多研究机构、高校和工厂研制出多种类型的开关电源，并广泛用于电子计算机、通讯和彩色电视机等领域，效果较好。工作频率为100KHZ200KHZ的高频开关稳压电源于90年代初试制成功，已走向应用阶段。90年代后，随着国外控制芯片的发展和引进，200KHZ以上工作频率的开关电源研制也逐步走向成熟，并在许多领域替代了工作频率较低的开关电源。目前国内正在致力于研制高工作频率、多功能化、高效率的开关电源。虽然我国科技人员在开关电源研制方面取得了长足的进展，但与发达国家相比，仍存在着较大差距，尤其是开关电源PWM控制芯片，因为现有开关电源所用的PWM芯片几乎全部来自于国外。根据有关资料报道，西方发达国家把开关电源的工作频率己经提高到1MHZ，甚至几十MHZ。由于我国半导体技术和加工工艺还落后于西方发达国家，致使我国自行研制的开关电源中许多重要器件还依赖进口。要缩小与西方发达国家在开关电源研制方面的差距，尚需加快研发的步伐。4开关电源技术发展动向（1）小型、薄型、轻量化由于电源轻、小、薄的关键使高频化，因此，国外目前都在致力于同步开发新型元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器及电容小型化，并同时采用表面安装（SMT）技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。（2）高效率开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也增大了，达不到高频、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源未来的主流。采用软开关技术可以使效率达到8588。（3）高可靠性可用模块电源使用的元器件比线性工作电源多数十倍，因此，降低了可靠性。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。（4）模块化可用模块电源组成分布式电源系统；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩大容量。（5）低噪声开关电源又一缺点时噪声大，单纯追求电源高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振变换技术，在原理上说明可以高频化，又可以低噪声。但谐振变换技术也有其难点，如果难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗元器件热应力转向开关管等问题难以解决。（6）抗电磁干扰（EMI）当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准。（7）电源系统的管理和控制应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化。中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正常运行。（8）计算机辅助设计（CAD）利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。（9）产品更新加快目前开关电源产品要求输入电压通用（使用世界各国电网电压规模），输出电压范围扩大，输入端功率因数进一步提高，具有安全、过压保护等功能。5论文的主要内容本文详细分析了高性能、大功率直流开关电源的工作原理，并提出了主电路和控制电路的设计方案。在此基础上，完成了整个系统的硬件电路设计，并对电源装置的硬件进行了调试和修改。在分析原理的基础上，本文从输入电路、输出电路、控制电路、高频变压器、滤波电路等环节对该系统的主电路进行了阐述。本文研制的直流开关电源具有输出电压固定、输出电流大、波纹小等特点。6实验方案的设计（1）针对目前数控开关电源实现方法的分析，比较可选择的方案中的最优项。（2）分析开关电源的控制方式及原理，确立系统的研究方向。（3）根据设计原理制定设计方案，绘制电路原理图。（4）使用PROTUES软件对实验电路进行仿真、测试、分析。7系统设计框图整个设计包括电源变换部分、数字控制部分、数码显示部分三大电路模块组成。主芯片采用开关稳压集成电路芯片LM2575，用数字控制来改变反馈，并将输出电压在数码管上显示。系统总体设计框图如图所示。数控电源总体系统框图8系统的软件设计流程81主系统程序流程图主系统主要负责对从键盘收集信号，即设置系统信息，控制从系统的输入信号量，读入并存储从系统读入的信号度值，通过LED显示。主系统程序流程图82LED显示程序流程单片机数码显示键盘辅助电源AD转换输出控制系统初始化从键盘读取目标电压将数据送给数控电位器改变输出电压AD采样返回刷新寄存器并显示开始LED显示程序流程83键盘子程序流程图系统初始化判断是否有键按下消除抖动设置确定递增递减取消开机YN键盘子程序流程9预期达到的水平和目标（1）设计电路结构，选择电路元件，画出实用电路原理图。（2）开关稳压直流电源主要技术指标要求输入交流220V，输出12V直流电压，电流25A，尽可能提高效率。（3）软件仿真分析并实例分析焊接实物。选择需要点亮的LED段结束将数据送到LED端口进行显示开始10存在的主要问题和技术关键数控开关电源的常规知识；频率控制与脉冲宽度控制理论知识与实际应用之间的联系；PROTUES软件的学习与应用。11研究计划进度表2012年11月2012年12月调研、查阅相关资料并完成开题报告。2013年4月初完成程序设计、仿真部分和毕业设计初稿，准备预答辩。2013年4月中旬完成修订稿。2013年4月底完成论文最终稿，准备答辩。12参考文献1张占松，蔡宣三著开关电源的原理与设计（修订版）M北京电子工业出版社，200510982周志敏，周纪海，纪爱华著现代开关电源控制电路设计及应用M北京人民邮电出版社，20051531943沙占友新型单片开关电源的设计与应用M北京电子工业出版社，2001794赵同贺开关电源设计技术与应用实例M北京人民邮电出版社，20071935KEITHBILLINGS著张占松，汪仁煌等译开关电源手册（第2版）M北京人民邮电出版社，200626606ABRAHAMIPRESSMAN（美）著王志强等译开关电源设计（第二版）M北京电子工业出版社，200538467户川治朗（日）著高玉苹，唐伯雁等译实用电源电路设计M北京科学出版社，20061043298张占松，蔡宣三著开关电源的原理与设计（修订版）M北京电子工业出版社，200510989RONLENK著王正仕