毕业设计高压电源的设计.doc
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毕业设计（论文）说明书
摘要
高压电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用，尤其在军事、医疗、射线类探测器和静电喷涂等技术领域。
传统的高压电源多采用线性技术，这种结构形式造成电源变换效率低，体积大，重量沉，操作维修不方便。
随着电源技术的发展，人们对高压电源的转换效率和带负载能力提出了更高的要求。
开关电源相对于线性电源有体积小，重量轻，效率高的优点，已经成为电源行业的主流形式。
本论文设计研究了一种以单片机和脉宽调制（PWM）技术为基础的高压开关电源。
该电源由飞思卡尔MC9S12XS128单片机产生和控制PWM波形，采用全桥变换，经高频变压器升压，输出1000V电压。
该电源采用数字调节，模数电路相互结合，具有输出电压高，纹波小，输出功率较高等优点。
关键词：
开关电源桥式变换器高频变压器单片机
Abstract
High-voltagepowersupplyisappliedbroadlyindailylifeandproduction,especiallyusedinmilitary,medical,class-raydetectorandelectrostaticspraying.Traditionalhigh-voltagepowersupplymainlyadopttechnologyoflinearpowersupplysuchtypeofstructuremakesthewholeEfficiencyofpowersupplybelow,large,heavyandoperationandmaintenancewhichisnotconvenient.Withthedevelopmentofpowertechnology,peoplehaveahigherdemandontheconversionefficiencyofthethehigh-voltagepowerandloadcapacity.Switchingpowersupplyhavetheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiencyrelativetothelinearpower.,ithavebecomeamainstreamformofthePowerindustry.Thispaperstudiesasingle-chipdesignandpulsewidthmodulation（PWM）technology-basedhigh-voltageswitchingpowersupply.PWMwaveformofthethepowersupplywasgeneratedandcontrolledbybyFreescaleMC9S12XS128microcontroller，usingfullbridge,thehigh-frequencystep-uptransformer,1000Voutputvoltage.Thepowersupplywithdigitaladjustment,moduluscombinedcircuit,ithastheadvantageofahighoutputvoltage,ripple,thehigherpoweroutputandsoon.
Keywords:
SwitchingpowersupplyBridgeconverterHigh-frequencytransformer
Microcontroller
目录
摘要 1
Abstract 2
第1章绪论 5
1.1课题研究的背景 5
1.2研究的目的及意义 5
1.2.1课题研究的目的 5
1.2.2课题研究的意义 5
1.3高频开关电源的发展情况 6
1.3.1开关电源的发展情况 6
1.3.2高频开关电源的主要新技术标志 6
1.4隔离式高频开关电源简介 8
第2章高频开关电源的总体设计 10
2.1主电路的选择 10
2.2控制电路的选择 10
2.3电流工作模式的方案选择 10
2.3.1电流连续模式分析 10
2.3.2电流断续模式分析 10
2.4综合结构电路图 11
第3章开关电源输入电路设计 12
3.1整流技术 12
3.1.1交流输入整流滤波电路原理 12
3.2整流电路 13
3.3输入尖峰电压保护 13
第4章开关电源主电路设计 14
4.1全桥变换器电路的工作原理 14
4.2开关晶体管的设计 15
4.2.1器件介绍 15
4.2.2.功率MOSFET的结构和工作原理 15
4.2.3.功率MOSFET的主要特点 16
4.2.4MOSFET的导通特性 16
4.3高频变压器的设计 18
4.3.1磁芯材料和结构 18
4.3.2绕阻计算 18
4.3.3绕阻的绕制 19
第5章开关电源控制电路设计 20
5.1基本原理 20
5.2器件简介 20
5.3脉冲宽度调制模块 22
5.4A/D模块 24
5.5软件设计部分概述 25
5.5.1程序设计方法 25
5.5.2软件设计步骤 25
5.6单片机系统设计时应注意的问题 26
第6章辅助电路的设计 27
6.1辅助电源的设计 27
6.2MOSFET驱动电路 27
6.2.1器件介绍 27
6.2.2电路结构分析 28
6.3输出滤波电路的选择 29
第7章展望与总结 30
致谢 31
参考文献 32
第1章绪论
1.1课题研究的背景
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控制功能；1957年发明的自激推挽式双变压器，1964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。
1977年脉宽调制（PWM）控制器集成电路的问世，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。
与此同时，开关电源的频率也从最初的20KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。
目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。
各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。
开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点：
①小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。
②提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间。
③随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。
④提高电源装置和系统的电磁兼容性（EMC）。
⑤用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。
开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。
1.2研究的目的及意义
1.2.1课题研究的目的
随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。
本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。
1.2.2课题研究的意义
课题研究的意义在于：
当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。
电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。
1.3高频开关电源的发展情况
1.3.1开关电源的发展情况
目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。
国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。
当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。
20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。
20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。
经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。
新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz（AC/DC）或1MHz（DC/DC）;软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。
1.3.2高频开关电源的主要新技术标志
新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和EMI滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。
微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。
新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。
目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。
此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。
另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。
通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。
集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。
目前。
总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向，因此高频开关电源的发展很具研究意义！
在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位。
在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。
经过20余年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。
现在，我国已形成一批上亿元甚至10亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。
这是我国开关电源技术不断成熟的表现。
从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志如下所述：
（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能
功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源工作频率可以达到400KHz（AC-DC）和1MHz（DC-DC）的水平。
超快恢复功率极管，MOSFET同步整流技术的开发也使高效低电压输出（例如3V）
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