数控开关稳压电源的设计 应用电子.docx

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数控开关稳压电源的设计应用电子

AnhuiVocactional&TechnicalCollegeofIndustry&Trade

毕业论文

所在系院：

电气与信息工程

专业班级：

应用电子

（2）班

学生学号：

学生姓名：

指导教师：

2013年3月12日

安徽工贸职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

系（院）电气与信息工程专业应用电子班级

（2）班

学生姓名学号

一、题目：

数控开关稳压电源的设计

二、内容与要求：

设计基于单片机芯片控制的开关稳压电源。

其电源可以进行数字显示，按键设置电压大小，其输出电压稳定，稳压范围宽，体积小。

设计要求电路节能，环保，易维护，元器件易采购；具有极大的应用市场等

三、设计（论文）起止日期：

任务下达日期：

年月日

完成日期：

2010年4月12日

指导教师签名：

年月日

四、教研室审查意见：

教研室负责人签名：

年月日

安徽工贸职业技术学院

毕业设计（论文）指导教师评语

专业、班级应用电子

（2）班学生姓名完成日期

题目：

毕业设计（论文）共页，其中：

图幅，表个

指导教师评语：

建议成绩

指导教师（签名）：

年月日

安徽工贸职业技术学院

毕业设计（论文）评阅人评语

专业、班级应用电子

（2）班学生姓名完成日期

题目：

毕业设计（论文）共页，其中：

图幅，表个

评阅人评语：

建议成绩

评阅人签名：

年月日

安徽工贸职业技术学院

毕业设计（论文）成绩评定

专业、班级学生姓名完成日期

题目：

毕业设计（论文）共页，其中：

图幅，表个

毕业设计（论文）指导小组评定意见：

毕业论文成绩的评定：

指导教师审阅成绩（70%）

评阅教师评阅成绩（30%）

总分

系（院）负责人签名：

年月日

数控开关电源设计

摘要该数控开关稳压电源以变压器耦合并联型开关电路为核心，单片机为主控制器和PWM信号发生器，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而稳定电压输出。

系统输出的直流电压在30到36伏可调。

可以通过矩阵按键对输出电压进行数字设定，并可步进调整，输出电流大，电压的调整率和负载的调整率比较低。

DC---DC变换器效率达到93.97%，能对输出电压，输出电流，输入电压，输入电流进行测量和显示。

系统特色：

（1）输出电压反馈采用“同步采样”方式，能有效避免电压尖峰对信号检测的影响。

（2）采用多种有效措施降低系统的电磁干扰（EMI），增强电磁兼容性（EMC）。

（3）具有完善、可靠的保护功能，如：

过流保护、反接保护、欠压保护、过温保护、防开机“浪涌”电流保护等，保证了系统的可靠性。

关键字：

变压器耦合并联反激厉开关电路PWM控制信号单片机

Abstractthenumericalcontrolswitchingpowersupplywithatransformercouplingparallelswitchingcircuitasthecore,MCUasthemaincontrollerandthePWMsignalgenerator,accordingtothefeedbacksignaltothePWMsignaladjustment,reliablecontrol,therebytostabilizetheoutputvoltage.SystemoutputDCvoltagefrom30to36voltsadjustable.Throughthematrixofkeysontheoutputvoltageofthedigitalsetting,andsteppingadjustment,largeoutputcurrent,voltageregulationrateandloadadjustmentrateisrelativelylow.DC---DCconverterefficiencyreaches93.97%,theoutputvoltage,outputcurrent,inputvoltage,inputcurrentmeasurementanddisplay.Systemcharacteristics:

（1）outputvoltagefeedbackusing"sampling"mode,whichcaneffectivelyavoidthevoltagespikeeffectonsignaldetection.

（2）usesmanykindsofeffectivemeasurestoreducethesystemelectromagneticinterference（EMI）,enhancedelectromagneticcompatibility（EMC）.

（3）withaperfect,reliableprotection,suchas:

over-currentprotection,reverseconnectionprotection,under-voltageprotection,over-temperatureprotection,preventtheboot"surge"currentprotection,ensurethereliabilityofthesystem.

Keywords:

transformercoupledshuntflybackLiswitchcircuitPWMcontrolsignalchipmicrocomputer

引言

近年来，国内数控开关电源的技术无论理论还是技术都已有相当的成果和规模。

高频、高效率、高功率因素、高可靠行，体积小等居多优点是开关电源很快占居国内数码产品，电视、手机、计算机、娱乐终端、移动数码终端的电源市场。

数控开关稳压电源相比其他小功率电源有更强的竞争力，应用领域不断扩大。

开关电源的使用取得了显著效果，对开关电源的研究有了更深的研究。

以及科学的进步，对开关电源提出了新的更高的要求，需研究内部功耗小转换效率更高；体积小，重量轻；稳压范围更宽，线性调整率更高;滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小。

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。

电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

该开关稳压电源的输入为交流22OV，50Hz，输出电压为1.26V—10V内连续可调，输出电流为500mA以上，并能够直观的显示输出电压。

电源的控制电路选用AT89S51单片机为核心，以及数/模转换功能，具有线路简单、稳定性好、显示清晰直观等特点。

文章中分析了电源的整体结构和工作原理，并详细的讲述了开关电路、稳压电路、数/模转换电路、显示电路等电路的工作原理。

给出了控制电路的硬件实现和主要的软件流程设计。

随着开关电源的应用普及，开关电源涉及多个学科，是一个技术密集型产品，不再是一个普通的电源。

开关电源在计算机、自控、信息的处理，信息处理速度越来越高，供电电压一降再将；工作电流越来越大，使得原来的电路已不再使用。

因此，开关电源必须使用新的电路，新的芯片。

应用人员就考了在开关稳压电源上使用微处理器，极大地简化了开关电源的系统电路，提高了产品的可靠性，加快了产品的开发速度。

微处理器的使用使开关电源有了更多的功能更大的拓宽了开关电源的市场。

开关电源可以根据不同的负载，可自动选择功率，电压，使开关电源智能化。

现在的开关稳压电源向着智能化，数字化，自动化，绿色化的方向发展。

第一章认识数控开关稳压电源

1.1数控开关稳压电源的概念

开关电源是相对线性电源说的。

所谓开关电源是指该电源中的调整管工作在截止区和饱和区。

调整管截止时，相当于机械开关的断开，调整管饱和时，相当于机械开关闭合。

这种起开关作用的三极管就叫开关管，而利用开关管来稳定电压的电源，就称之为开关型稳压电源。

我们再利用微处理器，比如用单片机来实现控制电路，实现对电压的数字控制和显示。

1.2开关电源的特点

1稳压范围宽

开关电源的稳压范围宽。

当电网电压在130V—260V范围内变化时，开关电源仍能获得稳定的直流电压输出。

而普通串联型稳压电源允许电网电压变化范围一般为190V——240V。

2功耗小、效率高

开关电源的调整管工作在开关状态。

在开关管饱和导通时，C、E极两端的压降接近于零；在开关管截止时，集电极电流为零。

因此调整管功耗很小。

而普通串联型稳压电源的调整管工作在放大状态，流过的电流大（即负载电流），管压降也比较大，所以调整管功耗大。

开关型稳压电源比普通串联型稳压电源的功耗低40%左右。

3体积小、重量轻

开关电源是直接对交流220V电压整理、滤波，然后由开关调整管稳压输出，不需要笨重的电源电压器，因此具有体积小，重量轻的优点。

4整机的稳定性和可靠性提高

由于开关电源的功耗小，使机内温升降低，整机的热稳定性与可靠性极大的提高，又避免因温度损伤元器件。

而且开光电源可以方便地设计过压、过流保护电路、一旦电路发生过压、过流故障，保护电路能自动地使开关电源电路停止工作，从而防止了故障范围的扩大。

5易于实现多路电压输出和遥控

开关电源可借助储能变压器用不同匝数的二次绕组获得不同数值的输出电压，而且各输出电压之间不会产生相互干扰。

另外，可通过控制调整管的工作状态，来实现对电源电路的遥控，以达到遥控关机的目的。

第二章开关稳压电源的类型及基本组成

2.1开关稳压电源的类型

1、按输入和输出电压的大小划分：

降压式开关稳压电源

升压式开关稳压电源

2、按功率开关的连接方式划分：

单端正激式与单端反激式

推挽式

半桥式和全桥式

3、按储能电感的连接方式划分：

串联型开关稳压电源电路

并联型开关稳压电源电路

4、按激励方式划分：

它激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源

2.2开关电源的基本组成

开关电源主要由交流220V整流滤波电路、开关振荡电路、高频脉冲整流滤波电路、取样和稳压控制电路等组成，如下图2-1：

图2-1开关电源的基本组成

电源整流滤波电路将交流220V电压变为300V左右的直流电压。

开关振荡电路包括开关调整管、开关变压器、正反馈电路等，吧整流滤波电路送来的直流电压变换为高频脉冲电压。

脉冲整流电路把高频脉冲电压整流为直流电压为负载供电，同时送稳压控制电路。

稳压控制电路包括取样电路，基准电压产生电路、比较放大电路、脉宽（或频率）调整电路等。

它将取样电压和基准电压进行比较，得到误差电压并进行放大，用放大后的误差电压去控制开关管的导通和截止时间，以改变高频脉冲的频率或脉冲宽度，从而使输出的直流电压稳定。

2.3开关电源的类型

1按储能电感与负载的链接方式分

按储能电感与负载的链接方式分，可分为串联型开关电源和并联型开关电源。

图2-2串联型开关电源组成框图

串联型开关电源的开关管、储能电感、负载三者串联，如图2-2:

并联型开关电源的开关管或储能电感与负载并联，如图2-3:

图2-3并联型开关电源组成框图

还有一种变压器耦合并联型开关电源，这种电源输出电压由储能变压器二次绕组产生。

变压器耦合并联型开关电源的最大优点是可以实现变压器的一次、二次绕组的完全隔离，即可使主板做成冷底盘，安全性好，因此近期生产的彩色电视机，广泛采用这种开关电源。

2按振荡启动的方式分

按振荡启动的方式分，开关电源可分为自激式和他激式。

自激式开关电源由电源自身电路来启动开关调整管，并维持开关调整管的工作状态。

他激式开关电源在开机后需要由电源以外的电路产生激励信号来启动开关调整管，待其正常工作并输出直流电压后，再由行输出电路提供行逆程脉冲作为开关调整管的激励脉冲，使之继续维持工作，这时启动电路则停止工作。

3按稳压控制方式分

开关电源是通过控制开关管激励脉冲的占空系数D（D为开关管导通时间与激励脉冲周期之比，即D=Ton/T）来实现稳压的，其控制方式有脉冲宽度控制方式和脉冲频率控制方式两种。

脉冲宽度控制方式，简称调宽式。

这种开关电源使激励脉冲周期保持不变，通过控制脉冲宽度来改变激励脉冲的占空系数，从而实现稳压。

为了使激励脉冲周期保持不变，通常从行输出电路中引进行逆程脉冲，对开关振荡器进行触发同步。

脉冲频率控制方式，简称调频式。

这种开关电源，通过改变激励脉冲周期，来改变激励脉冲的占空系数，从而实现稳压。

这种控制方式不需要引入行逆脉冲触发同步，其工作频率一半较高。

第三章开关电源的基本工作原理

3.1变压器耦合并联型开关电源简化电路原理图

其中，V为调整管，工作在开关状态；T为脉冲变压器（又称开关变压器或储能变压器）；VD为脉冲整流二级管，C为滤波电容；RL代表电源的负载。

来自稳压控制电路的开关激励脉冲加至开关V的基极，控制其导通与截止，电路中的电压、电流。

其工作原理如下：

在t0—t1期间，开关管V受正脉冲激励而饱和导通。

Uce=0，来自整流滤波电路的直流电压u1全部加在开关变压器一次绕组L1两端，L1中的电流i1线性增长，在二次绕组L2上产生的感应电动势Ul2为上负下正，二极管VD截止。

此间，随着i1的增长，变压器储存磁能并逐渐增大。

在t1—t2期间，激励脉冲为负，开关管V截止，i1=0。

L1上产生上负下正的自感电动势，由同名端可知L2上的感应电动势为上正下负，二极管VD导通,

开关变压器储存的磁能向电容C及负载RL释放，为负载提供电流并形成直流输出电压UO。

显然，开关管V和二极管VD是一种反激励方式，即V导通时VD截止，V截止时VD导通。

如果忽略开关管和开关变压器的损耗，可以证明输出电压Uo与输入电压U1的关系为

Uo=u1Ton/kToff

式中，k为变压器一次、二次侧匝数比。

上式表明，输出电压uo与输入电压u1成正比，与变压器匝数比k成反比，与开关管导通时间和截止时间的比值Ton/Toff成正比。

D=Ton/T。

3.1.1串联型开关稳压电路的基本组成框图。

如图3-1：

图3-1串联型开关稳压电路组成框图

V1为开关调整管，它与负载RL串联；V2为续流二极管，L、C构成滤波器；R1和R2组成取样电路、A为误差放大器、C为电压比较器、它们与基准电压源、PWM发生器组成开关调整管的控制电路。

误差放大器对来自输出端的取样电压Uf与基准电压Uref的差值进行放大，其输出电压Ua送到电压比较器C的同相输入端。

PWM产生一定频率的脉冲信号，它决定了电源的开关频率。

Ut送至电压比较器C的反相输入端与Ua进行比较，当Ua>Ut时，电压比较器C输出电压Ub为高电平，当Ua

第四章数控开关稳压电路的具体设计

4.1DC-DC主回路拓扑

图4-1间接直流变流电路

方案一间接直流变流电路：

结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用

多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。

方案二Boost升压斩波电路：

拓扑结构如图1-2所示。

开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为UO=（ton+toff），通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。

该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。

图4-2Boost升压斩波电路拓扑结构

综合比较，我们选择方案二。

4.2控制方法及实现方案

方案一利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。

此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。

方案二利用单片机产生PWM控制信号。

让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。

这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。

但是系统调试比较复杂。

在这里我们选择方案二。

4.3系统总体框图

图4-3系统总体框图

4.4提高效率的方法及实现方案

4.4.1Boost升压斩波电路中开关管的选取

电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（PowerMOSFET）开关损耗小、工作频率较高。

从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。

4.4.2选择合适的开关工作频率

为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。

综合考虑后，我们把开关频率设定为20kHz。

4.4.3Boost升压电路中二极管的选取

开关电源对于二极管的开关速度要求较高，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。

与快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用于低压场合。

考虑到降低损耗和低压应用的实际，选择肖特基二极管。

4.4.4控制电路及保护电路的措施

控制电路采取超低功耗单片机MSP430，其工作电流仅280μA；显示采取低功耗LCD；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，具体实现见附录图2，单片机由低功耗稳压芯片HT7133单独供电。

4.5电路设计与参数计算

图4-4Boost升压电路包括驱动电路和Boost升压基本电路

4.5.1Boost升压电路器件的选择及参数计算

（1）开关场效应管的选择

选择导通电阻小的IRF540作为开关管，其导通电阻仅为77MΩ（VGS=10V,ID=17A）。

IRF540击穿电压VDSS为55V，漏极电流最大值为28A（VGS=10V，25°C），允许最大管耗PCM可达50W，完全满足电路要求。

（2）PWM驱动电路器件的选择

单片机I/O口输出电压较低、驱动能力不强，我们使用专用驱动芯片IR2302。

其导通上升时间和关断下降时间分别为130ns和50ns，可以实现电力场效应管的高速开通和关断。

IR2302还具有欠压保护功能。

（3）肖特基二极管的选择

选择ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1A电流时仅为0.35V，并且恢复时间短。

实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。

（4）电感的参数计算

电感值的计算：

其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20kHz,输出电压为36V时，LB=527.48μH，取530μH。

电感线径的计算：

最大电流IL为2.5A，电流密度J取4A/mm2，线径为d,

则由

得d=0.892mm,工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中

采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。

（5）电容的参数计算

其中，ΔUO为负载电压变化量，取20mV,f=20kHz,UO=36V时,CB=1465μF,取为2000μF，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。

4.5.2输出滤波电路的设计与参数计算（见附录）

4.5.3控制电路的设计与参数计算

单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整PWM控制信号的占空比，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为系统提供过流保护、过热保护、过压保护等措施，并实现输出电压、输出电流和输入电压的测量和显示。

PWM信号占空比

当U2=15V，UO=36V时，UIN=1.2*U2-2V=16V，最大值DMAX=0.556；

当U2=21V，UO=30V时，UIN=1.4*U2-2V=27.4V，最小值DMIN=0.087；

系统对于单片机A/D采样精度的要求：

题目中最高的精度要求为0.2%，欲达到这一精度，A/D精度要达到1/500，即至少为9位A/D，MP430内置A/D为12位，只要合理设定测量范围，完全可以达到题目的精度要求。

4.5.4保护电路的设计与参数计算及过流保护

（1）输入过流保护

图4-5输入过流保护电路

在直流输入端串联一支保险丝（250V，5A），从而实现过流保护。

（2）输出过流保护

图4-6输出过流保护电路

输出端串接电流采样电阻RTEST2，材料选用温漂小的康铜丝。

电压信号需放大后送给单片机进行A/D采样。

过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。

（3）逐波过流保护

图4-7逐波过流保护

逐波过流保护在每个开关周期内对电流进行检测，过流时强行关断，防止场效应管烧坏。

具体实现电路见附录图5（a）。

考虑到MOS管开通时的尖锋电流可能使逐波过流保护电路误动作，加入如附录图5（b）所示电路。

4.5.5反接保护

反接保护功能由二极管和保险丝实现，电路如附录图（a）。

（1）过热保护措施

通过热敏电阻检测场效应管的温度，温度过高时关断场效应管。

（2）开机防“浪涌”保护

用NTC电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，见附录图3（a）。

（3）场效应管欠压保护措施

利用IR2302的欠压保护功能，对其电源电压进行检测，使场效应管严格工作在非饱和区或截止区，防止场效应管进入饱和区而损坏。

4.6数字设定及显示电路的设计

分别通过键盘和LCD实现数字设定和显示。

键盘用来设定和调整输出电压；输出电压、输出电流和输入电压的量值通过LCD显示。

电路接口见附录。

4.7效率的分析及计算（U2=18V,输出电压UO=36V,输出电流IO=2A）

DC-DC电路输入电压UIN=1.2*U2-2V=19.6V，信号占空比D≈1-UIN/UO=0.456，

输入电压有效值IIN=IO/（1-D）=3.676A，输出功率PO=UO*IO=72W

下面计算电路中的损耗P损耗：

（1）Boost电路中电感的损耗：

其中，DCR1为电感的直流电阻，取为50mΩ，代入可得PDCR1=0.68W

（2）Boost电路中开关管的损耗

开关损耗PSW=0.5*UIN*IIN（tr+tf）*f

其中，tr是开关上升时间，为190ns,tf是开关下降时间，为110ns,f是开关频率，为20kHz,代入可得PSW=0.2160W

导通损耗

其中，导通电阻RDSON=77mΩ，电流感应电阻RSNS取0.1Ω，代入得PC=1.23W

（3）肖特基二极管的损耗

流过二极管的电流值与输出电流I0相等，则二极管损耗

其中，IO=2A,取二极管压降VD为0.35V，代入可得PD=0.7W

（4）两只采样电阻上的总损耗为