王宇超毕业设计究极版.docx

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王宇超毕业设计究极版

河南理工大学毕业设计

基于单片机开关稳压电源的设计

目录

1.1设计思路7

1.2方案的论证7

1.2.1DC-DC主回路7

1.2.2控制方法及实现方案8

1.2.3提高效率的方法及实现方案9

2电路设计与参数计算10

2.1DC-DC回路器件的选择及参数计算10

2.2控制电路设计与参数计算11

2.3保护电路设计与参数计算12

2.4数字设定及显示电路的设计13

3测试方法与数据13

3.1测量输出电压U0可调范围13

表1输出电压调可调范围13

3.3测量电压调整率SU13

3.4测量负载调整率SI14

负载空载时,输出端电压为12V；负载电流为2A时,输出端电压为5V。

可计算出电压调节率3.61%＜5%14

3.5测量输出噪声纹波电压峰峰值14

4系统的软件设计.....................................17

5系统测试...............................................................................21

5.1测试方法与数据分析...............................23

5.2电压调整率的测量方法...........................23

5.3输出纹波的测定..............................23

5.4电源效率的测量...................................23

6心得体会

摘要

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。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。

这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。

在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。

但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。

因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。

新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。

基于单片机开关稳压电源就是能利用单片机输入数字量来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；本文介绍了利用单片机数控技术，数/模转换电路、辅助电源电路等组成的开关稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略；它与传统的稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其结构简单、制作方便、成本低，输出电压在0～12V之间连续可调，其输出电压大小以0.1V步进，输出电压的大小调节是通过“＋”“－”两键操作的，而且可根据实际要求组成具有不同输出电压值的稳压源电路。

该电源控制电路选用At89c51单片机控制主电路具有线路简单、响应迅速、稳定性好、效率高等特点。

电源采用数字控制，具有以下明显优点:

1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。

5）系统的一致性好，成本低，生产制造方便。

由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。

由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

6）易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。

为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

基于电路设计的要求，开关稳压电源电路主要由隔离变压、整流滤波、DC-DC变换器、控制系统、显示等电路模块组成。

选择了Boost升压变换器实现DC-DC变换，电路结构简单，转换效率高；选用小导通电阻、高开关速度的IRF640管为开关管，选用快速恢复二极管RHRP15120整流，减少反向导通时间，降低损耗。

控制系统选用单片机ADuC812和脉宽调制控制器SG3525通过双闭环回路共同控制DC-DC变换电路，实现输出电压稳定、可调；SG3525产生高频脉冲控制DC-DC变换，ADuC812实现显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对ADuC812进行控制、显示和人机交换等功能。

关键词：

DC-DC变化器，PWM触发脉冲调制,boost升压斩波技术

第一章：

绪论

1.选题的目的和意义

电源技术尤其是稳压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。

当然，随着数控电源在电子装置中的普遍使用，更好的对稳压电源进行控制，控制普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。

这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。

在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。

但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。

因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。

新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。

进入二十一世纪的我们，有必要对更前沿的技术进行掌握，进行探索，了解单片机数控稳压电源技术，对我们多学的专业必然有深刻的联系，让我们所学到的知识更好的服务社会。

2.国内外发展现状

开关电源自20世纪90年代问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。

近年来，开关电源在通信、工业自动化、航空、仪表仪器等领域的应用越来越广泛。

随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、模块化的方向发展，高效率的开关电源已经得到越来越广泛的应用

随着高频开关电源技术和应用电子技术的高速发展，直流高频开关电源依靠它的高精度、低纹波及高效率等优越性能，正在逐步取代传统的线性电源。

同时，高频开关电源系统的高速响应性能、输出短路电流限制及稳压和稳流等优点也使其负载的使用寿命大大增加。

评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。

在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过流、短路等保护电路。

同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视。

许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：

向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合出许多毛刺尖峰，甚至出现畸变。

大量的谐

波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变;另一方面，会造成电路故障，使用设备损坏。

因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到0.9，如果采用有效的功率因数校正，功率因数可以达到0.99以上。

开关电源输入端产生功率因数下降问题，利用有源功率因数校正电路，成本只增加5%，成功解决了这个问题。

20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种校正功率因数的方法。

目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET管制成的500kHz电源，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，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。

对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。

随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。

在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。

为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源。

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。

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。

第二章：

设计方案和思路

2.1.开关稳压电源的工作原理

开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。

一般采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压或者升压，再整流滤波的方法。

交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电，其典型的能量变换过程如图所示。

整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，该电路结构简单、工作可靠、成本低，效率也比较高，但存在输入电流谐波含量大、功率因素低的问题，因此较为先进的开关电源采用有源的功率因素校正电路。

高频逆变-变压器-高频整流电路时开关电源的核心部分，针对不同的功率等级和输入电压可以选取不同的电路，针对不同的输出电压等级，可以选择不同的高频整流电路。

2.2.设计思路

基于题目的基本要求，系统主要由隔离变压、整流滤波、DC—DC变换器、控制系统、显示等电路模块组成。

隔离变压模块实现220VAC变压为18VAC，再经整流滤波电路转换为直流电压；控制器模块实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、DC—DC电压输出控制和稳压、显示、人机交换等功能;过流保护电路实现输出电流过流保护功能；同时，电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。

2.3.系统的方案论证

2.3.1DC-DC主回路

设计的要求是进行升压变换，选择了Boost变换器。

Boost换器电路结构简单，由开关管、二极管、电感、电解电容等元件组成，便于进行电路设计，稳压性能优，并且转换效率高。

原理图如图2所示。

2.3.2控制方法及实现方案

控制系统有两种设计方案：

（1）方案一：

单片机来实现整个系统的控制。

该方案的优点：

布线简单，硬件设计节省时间；

该方案的缺点：

⒈控制软件编程工作量大、难度大；

⒉所有的控制都由单片机来实现，对单片机的硬件资源要求很高；

⒊该设计要求对DC-DC变换器实现PWM控制的开关频率至少要为100KHZ，这是单片机难于实现的。

（2）方案二：

单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。

该方案的优点：

⒈控制系统软件编程工作量较小，难度不大；

　　　⒉用脉宽调制型控制器实现PWM控制，产生频率为100KHZ的脉冲较容易，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性好；

　　　⒊单片机控制的任务较轻，对单片机硬件资源要求不高。

该方案的缺点：

⒈硬件电器设计难度较大；

⒉电路板布线工作量较大。

经过方案比较与论证，最终确定用方案二-----单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。

系统的组成框图2.5设计总体框图所示，脉宽调制器产生高频脉冲直接控制DC-DC变换模块，单片机实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对脉宽调制器进行控制、显示和人机交换等功能;过流保护电路使负载电流不超过2.5A；负载电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。

2.4.开关电源的设计指标和要求

1）、输入电压Vs=18～24V，输出电压Vo=12V，5V，输出电流Io=0～2A，开关频率fs=100kHZ。

2）、负载调整率＜1.0％,电源调整率＜1.0％。

3）、用数码管显示设定电压和实际电压。

4）、有过压和过流保护。

2.5设计的控制方案总体框图

2.3.提高效率的方法和实现的方案

设计电路时，采取了以下方法降低损耗，提高DC-DC转换效率：

⑴通过提高工作频率，让工作频率达到100KHZ；

⑵选用小导通电阻、高开关速度的MOSTET，降低MOSFET开关损耗。

选用了IRF640（VDSS=200V，RDS（on）<0.18Ω，ID=18A）

⑶选用快速恢复整流二极管，减少反向导通时间，减少损耗。

选用了肖特基二极管RHRP15120，恢复时间trr<65ns。

第三章：

单元电路的设计

3.1电源设计部分

3.1.1直流稳压电源设计

（1）电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。

3.1.2直流稳压电源原理

直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.1所示。

电网供给的交流电压u1（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。

但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

图2.1直流稳压电源框图

其中：

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

（3）滤波电路：

可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，电路中的每只二极管承受的最大反向电压为

（U2是变压器副边电压有效值）。

3.1.3稳压电路设计方案

图4.1

在图4.1中，该部分主要是由三端稳压器LM7812、LM7912、LM7805和若干个电容、二极管元器件组成，220V市电经220V／12V变压器降压后得到的双12V交流电压，经三端稳压器LM7812和LM7912得到+12V和-12V，再经过LM7805得到+5V的电压。