毕业设计直流不间断供电开关电源.docx
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毕业设计直流不间断供电开关电源
直流不间断供电开关电源
摘要
开关电源是目前各种电子设备最为广泛采用的电力供应装置，其质量的优劣直接影响到电子设备的技术性能以及其工作安全性和可靠性。
电源产品在出厂前的电性测试和老化试验是确保产品质量和工作稳定性的重要环节。
本论文介绍了一种使用C8051F020单片机设计简易数控直流电源的方案。
该监控系统能检测直流电源系统的各种实时运行数据及状态，自动监测各种故障并发出声光报警，实现蓄电池的智能管理。
该方案系统由人工复位及时钟电路、BCD码输人、D／A转换及放大输出和显示电路组成；用LEM传感器测量电流、电压数据并在数码管上显示，并能通过键盘设定各参数值；采取了模块化的思想进行软件设计，使程序之间互有通用性；在保证电源精度的前提下，实现了根据实际要求控制幅度增减的能力，同时又做到简便易行。
关键字：
单片机，数控直流电源，幅度增减，LEM
DCuninterruptedpowersupplyswitchpowersupply
ABSTRACT
Asakindofpowerdevice,switchingpowersupplyiswidelyusedinvariouskindsofelectronicequipments,itsqualitywoulddirectlyaffectthetechnicalperformance,securityandreliabilityoftheinstruments.Theelectricalperformancetestandagingtestofthepowersupplyproductsaretwoimportantprocessestoensurethequalityandworkingstabilityoftheproducts.
Asimpledigital-controlledDCPowerbasedonC8051F020SCMisintroducedinthistext．ThissystemcandetectallrealtimeoperationdataandstateofDCpowersupplysystem，andsupervisethefailureofthesystemandsendoffacousto—opticalarm，SOastoachievetheintelligencemanagementforstoragebattery.Thepowersystem，whichiscomposedofamanualreset，aclockcircuit，aBCDcodeinput，aD/Aconverter，amagnifiedoutputandadisplaycircuit，adoptstheideologyofmodularprogrammingtomaketheprograminterconvertible．WiththeLEMsensortomeasuretheelectriccurrent,theelectricvoltagedatacombineintakingcareoftheDPY,andthesystemcanseteachparametervaluethroughakeyboardOnthepremiseofensuringthepoweraccuracy，thesystemisdesignedtosimplyandeasilycontroltheFluctuationscopeaccordingtoactualrequirement．
KEYWORDS：
scm,digital-controlleddcpower,eluctuationscope,
lem
1绪论
1.1引言
直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。
随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化方向发展。
以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求。
智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。
输出电压和限定电流采用LED显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。
1.2问题的提出
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关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（PWM）控制IC和MOSFET构成。
直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源，通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。
线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作于线性放大区的一种直流稳压电源，是发展最早、应用最广泛的一种电源。
但其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够。
开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。
针对上述问题及线性电源存在的不足开发研究智能稳压电源，并达到具有效率高、稳压范围宽和安全可靠等特点。
1.3开关电源发展的现状及前景
近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业飞速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。
单片控制控制的高性能稳压电源不仅在整机电路设计、高频变压器设计、反馈电路、保护电路和关键元器件的选择方面有许多独到之处，而且特别适合用计算机来完成整个电源的设计工作，这已成为国际电源领域的一项新技术。
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泛的化。
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、另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
而利用单片微机控制的高性能稳压电源与传统的模拟控制方法相比，具有稳压范围宽、精度高、节能及噪音低等特点，是一种理想的家用电源设备，有着广泛的应用前景应用领域。
1.4本文研究的意义
因为不间断电源的主要结构为:
监控系统和单端反激变换器，因此本文的研究内容主要是从这两部分展开的。
监控系统所要实现的就是对开关电源的输出电压、电流进行监控，自动对输出电压、电流进行判断和调节，以此完成对系统的自动保护和提供稳压电源。
其中A/D转换，将反馈得到的模拟量转变为数字量，送给单片机进行处理，并通过LED将输出的电压、电流值显示出来;通过键盘设置期望的电压和输出电流值。
单端反激变换器的主要功能是在监控系统的控制下得到所需的直流电压及电流。
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系统概述
2.1系统结构图
图2-1系统结构示意图
该稳压电源的系统框图如图2-1所示，核心控制芯片采用C8051F020单片机。
在单端反激变换器中采用了电流模式控制芯片NCP1200,市电经整流变成直流电送入单端反激电路，单端反激电路在NCP1200的控制下输出稳定的直流电。
用户可根据需要通过键盘给定稳压电源的输出电压或输出电流，单片机系统自动对电源输出电压和电流进行数据采样，并通过数码管予以显示，单片机利用PI规律调整电源输出电压和输出电流的同时还要检测电路的现场的电压、电流，倘若超过上限值，单片机就会停止工作并报警，封锁D/A转换，NCP1200也不会参与控制输出。
2.2系统硬件结构
系统硬件主要由C8051F020单片机，显示键盘接口，电压电流LEM电路测量，间接直流交流单端反激电路,电网电压整流滤波电路等组成。
如图2-2所示。
系统运行过程是：
首先有SK5278控制的人机接口输入对电流等参数值的设定，之后送入单片机，而单片机则和有LEM电路测量所得现场值利用PI规律进行比较调节，之后经过D/A转换，送给PWM产生的控制电路，其核心器件是NCP1200，经过间接直流交流单端反激电路，来输出相应的稳压电流和电压。
如果输出没有达到相应的要求，即不是在允许的误差范围内，则还需要单片机再利用LEM电路测量的现场值在进行调解直至达到要求。
在调节过程中输出的现场电流电压值利用SK5278控制芯片实时显示在数码管上。
在这个过程中如果出现电源空载或者是单片机在调整过程中出现输出值大于设定的上限值时会报警，整个电路停止工作，以保护各器件和整个电源。
AC输入和
整流滤波电路
LEM测量电路
单端反激电路
SK5278
键盘输入
和显示电路
C8051F020
单片机
NCP1200
PWM波控制器
声光
报警电路
晶振
及
复位电路
图2-2系统硬件结构示意图
2.3系统特点和功能
该系统的主要特点及功能有：
1、效率高
开关稳压电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关元件漏电流极小，因此功率消耗小而效率高，通常可达到80%-90%以上。
功耗小使得机内温升亦低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。
2、稳压范围宽
从本质上说，线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻”作用实现的，因而调压范围小。
开关稳压电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的，因而线性控制区域大，调压范围宽，在交流电压变化较大时，开关稳压电源仍能达到很好的稳压效果。
3、体积小重量轻
开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行PWM控制，这样可省去笨重的电源变压器（为了和高频变压器相区别，电源变压器又称为工频变压器），使电源的体积大大缩小，重量减轻。
在隔离式开关电源中，高频隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。
4、安全可靠
开关稳压电源一般都有辅助电路，以提供自动保护功能。
本课题研究的以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和电流精度，降低了对模拟电路的要求。
智能稳压电源利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源可靠运行，此外，对故障的记录使工作人员进行修理时知道故障原因，会起到事半功倍的效果。
输出电压和输出电流采用数字显示，可以通过键盘调整输出电压和输出电流，操作使用方便，具有较高的使用价值。
3系统主要硬件介绍
3.1整流滤波电路
如图3-1为整流滤波电路。
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成之一任务的是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率的整流电路中（1KW以下），常见的几种整流电路有单向半波、全波、桥式和倍压整流电路。
上图中用的是单项桥式整流，图中的电源变压器的作用是将交流电电网电压变成整流电路中要求等级的交流电压，四只极管接成电桥的形式，桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因利用电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分利用，效率较高。
因此这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。
电路的缺点是二极管用的极多，但是目前市场上已有整流桥堆出售。
在本设计中，我们是将220V交流电经过变压器输出25V交流电后，再整流滤波电路后得出30V左右的直流电，对整个电路供电。
图3-1整流滤波电路
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。
由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。
3.2单端反激变换器的设计
单端反激变换器拓扑是目前国内外DC-DC变换器设计中最常使的拓扑之一。
与开关电源其它类型相比，单端反激式开关电源具有体积小、重量轻、效率高、线路简单、可靠性高等特点。
它的主要缺点是输出功率低（通常小于150W），在木课题中，此输出功率已满足要求了。
这种变换器的拓扑如图3-2所示。
图3-2单端反激变换器原理图
3.2.1单端反激变换器的基本工作原理
如图3-2所示，图中功率晶体管T和高频变压器原边串联，接在输入电压U,两端，高频变压器副边经整流二极管VD接到负载RL:
两端，输出端滤波电容Co与负载并联。
变压器原、副两边的匝比为NP:
Ns,同名端如图标注所示。
当功率晶体管受控导通时，如忽略晶体管的饱和压降，则高频变压器原边电压UP=U1，而副边的二极管VD受反偏压截止不导通，这时负载上流过滤波电容C0的放电电流;当晶体管截止时，高频变压器原副边电压极性改变，整流二极管VD由反偏变为正偏导通，高频变压器将原先储存的磁能变为电能，通过整流二极管VD向负载供电和向滤波电容Co充电。
由于整流二极管VD是在功率晶体管截止时才导通，故称此电路为反激式。
所谓单端，指的是变压器磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。
单端反激式开关电源的输出电压通过分析和简单计算，可由下式决定:
（1）
式中δ——晶体管T的导通比：
（2）
晶体管截止时所承受的最高集电极电压为：
（3）
可见，单端反激式开关电源中的晶体管在截止期间所受到的反压比较高。
晶体管在导通时的最大集电极电流为：
（4）
对于单端反激式变换器，占空比δ不能大于0.5，否则会导致变压器原边绕组的能量无法释放完，在晶体管T进入开通时，由于去磁电流不为0，将引起晶体管T比较大的尖峰电流，从而引起变压器饱和，将晶体管T损坏。
3.2.2控制方案的比较
单端反激变换器从控制方式上主要可以分为两种，即电压模式控制（VoltageModeControl）和电流模式控制（CurrentModeControl）。
以下分别加以讨论。
3.2.3电压模式PWM（Voltage-modePWMcontrol）控制
早期开关电源的控制电路多采用电压控制方式。
电压模式控制电路的工作原理如图3-3所示，电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制，即将电压误差放大器采样放大的缓慢变化的直流信号Ue与恒定频率的锯齿波（或三角波）上斜波相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的控制脉冲宽度，而逐脉冲的限流保护电路必须另外附加。
该控制方式的主要缺点是暂态响应较慢。
当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为有较大的输出电容C及电感L相移延时作用，输出电压的变化也延时滞后，而该电压变化的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将控制脉宽展宽，这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。
图3-3电压模式PWM控制原理图
图3-3误差放大器的作用有三:
（1）将输出电压与给定电压的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳定精度。
该运放的直流放大增益理论上为无穷大，在实际中为运放的开环放大增益。
（2）将开关电源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号（Ue）。
即保留直流低频成分，衰减交流高频成分。
因为开关噪声的频率较高，幅值较大，高频开关噪声衰减不够的话，反馈系统不稳定:
高频开关噪声衰减过大的话，动态响应较慢。
虽然互相矛盾，但是对电压误差运算放大器的基本设计原则仍是“低频增益要高，高频增益要低。
（3）对整个闭环系统进行校正，使得闭环系统稳定工作。
电压模式控制的缺点:
（1）对输入电压的变化动态响应较慢。
（2）补偿网络设计本身就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化这一特点使其更趋复杂化。
（3）输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在设计补偿误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。
（4）在信号传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦。
3.2.4电流模式PWM（Current-modePWMcontrol）控制
电流模式控制型电路的工作原理如图3-4所示，它是在电压模式控制型电路的基础上增加了一个电流反馈环，由输出电压UF，与基准电压信号Ug的差值经过运放（e/a）放大得到的误差电压信号Ue送至PWM比较器后，并不是像电压模式那样与振荡电路产生的固定锯齿波（或三角波）上斜波相比较，而是与一个变化的三角波或梯形尖角状合成波形信号同时，Us比较，从而得到PWM脉冲关断时刻。
当采样电压Us与Ue相PWM比较器的状态翻转，锁存器置零，开关管截止。
因而误差信号Ue实际上控制的是电感峰值电流。
由以上可以看出，电流模式控制和电压模式控制相比既保留了电压模式控制的输出电压反馈部分，又增加了一个电流反馈环节，因此电流模式事实上是一个双环反馈系统，这使得电流模式控制功率变换器和电压模式控制功率变换器相比较具有许多优点:
（1）对输入电压的响应快。
当输入电压发生变化时，控制电路无需经过误差放大器即能进行调节，因而电路线性调节好。
误差放大器被设计成专用来进行负载变化的调节。
（2）对负载变化响应快，回路稳定性好。
变换器中电感电流是连续的。
控制峰值电流就相当于控制平均电流。
在电流控制型电路中，可把电感器当作一个误差电压控制的电流源，误差放大器构成的闭环控制的响应频带比电压控制型电路要宽，因而对负载变化的响应速度快。
（3）电流控制型电路中由误差放大器构成的调节器可以简化。
图3-5（a）为电压控制型电路的调节器，由于电感电路滞后因数，电感电流己达预定值，而Ci在调节过程中充的电压却要过一段时间才能放完;图3-5（b）为电流控制型电路的调节器。
因电流控制型电路本身具有个电流反馈，调节器就无需RiCi，电路得以简化。
（4）瞬时峰值电流限流功能，即固有的逐脉冲（PulsebyPulse）限流控制，这使得保护机制大大简化。
电压型控制系统如果需要实现过流或短路等保护时，需要附加复杂的保护电路，而且电路的可靠性并不能够得到保障，电压控制型电路常会因输入电压的浪涌而产生很大的尖峰电流损坏晶体管。
而电流型控制系统则具有天生的电流保护功能。
在电流型开关电源中，由于电流反馈环采用了直接的电感电流峰值检测技术，它可以及时、灵敏地检测出输出变压器或功率开管中的瞬态电流值，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。
图3-4电流模式控制形电路
图3-5误差放大器构成的调节电路
通过设定Ue最大值，就可以准确地限制流过功率开关管和变压器中的最大电流，从而在发生意外导致输出过流或短路时，能较好地保护开关管和变压器。
3.2.5线圈匝数的确定
基于NCP1200电流型控制芯片设计的反激式可调稳压电源应用电路，输入为整流后30V直流电压，要求输出电压3-15V，电流为0-3A输出精度小于10%。
此设计选NCP1200P60型号IC控制芯片，整个电路工作频率定在60kHz。
NCP1200的可调占空比为:
0%-80%。
=30V，Uo=3-15V
选取
=
时，由
知
=
~
由σ=
得，占空比σ范围为23%-60%，σ在NCP1200的可调占空比范围内，符合要求。
考虑实际设计的需求要保留可调的裕量，此设计取调节占空比范围为：
20%-70%。
由上计算，可取变压器初级线圈匝数为90匝，次级线圈匝数为30匝。
3.3基于NCP1200的PWM控制电路
3.3.1电流型PWM控制芯片NCP1200
NCP1200是ONSemiconductor公司生产的低功率通用离线电源脉宽调制电流模式控制器，它代表向超密集型开关电源的一大飞跃。
该器件在对元件数量要求比较严格的场合，特别是在低价AC／DC变换器或辅助电源等应用方面，不失为理想的选择。
由于它的高压技术，NCP1200包含了基于UC3842的电源通常所需的所有必要元件:
定时元件、反馈器件、低通滤波器和自供电。
NCP1200采用标准电流模式体系，关断时间由峰值电流设置点确定。
其内部结构如图5所示，器件内部集成有跳周期比较器、40／60／100kHz时钟、Q触发器D≤0．8复位、欠压锁定高低稳压器等。
由于NCP1200内置有时钟发生器，所以无需外接R－C元件。
它的工作频率可在40kHz、60kHz或100kHz中选择。
光耦合器直接接至反馈管脚2上，内部的集成电路控制监视信号流。
250ns的前缘消隐（LEB）电路节省了一个外部R－C网络。
NCP1200采用SO－8或DIP8封装。
其管脚说明如表一所列。
表一NCP1200管脚说明
引脚号
引脚名称
功能
说明
1
Adj
调整起跳峰值电流
该引脚用来调整开始跳周期工作的电平
2
FB
设置峰值电流设置点
通过将一个光耦合器连到该引脚，可随输出功率的需求来调整峰值电流设置点
3
CS
电流检测输入
用于检测初级电流并通过一个L.E.B将其送入内部比较器
4
Gnd
集成电路接地端
5
Drv
驱动脉冲
驱动器至外部MOSFET的输出
6
Vcc
集成电路电源
该引脚连接一个典型值为10μF的外部电容
7
NC
空脚
8
HV
从交流线路上产生Vcc
该引脚连到高压干线上，可向Vcc大容易注入一恒定电流
图3-6为其内部结构电路图，它的主要特点如下:
（1）低待机功耗
NCP1200具有符合美国能源之星（EnergyStar）和欧洲蓝天使（BlueAngel）等待机能耗规定的低成本解决方案。
由于开关电源在正常负载条件下具有良好的效率，而在输出功率减小时，其效率将开始下降。
因此如果采用跳过一些不需要的开关周期的方法，NCP1200就可以大大减小在轻负载时的功率消耗。
在空载情况下，NCP1200的总待机功率可达到国际能源机构（IEA）最新建议的要求。
图3-6NCP1200内部结构电路图
（2）无需辅助电源绕组
NCP1200拥有专利的甚高压集成电路（VHVIC）技术，此技术使集成电路可由高压直流干线直接供电，即NCP1200具有动态自供电（DSS）功能。
因此，在电池充电器应用中，使用NCP1200时无需设计专门的初级电路来应付辅助电源的瞬间丢失（如当Vout降低时）。
（3）工作时无音频噪声
NCP1200在大的峰值
升级会员 