开关稳压电源毕业设计复习过程.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。开关稳压电源毕业设计-河南工业职业技术学院毕业设计任务书类别:三年制高职专业:电子信息工程班级:姓名:毕业设计题目:开关稳压电源指导教师姓名:2011年3月17日-目录1.1设计思路71.2方案的论证71.2.1DC-DC主回路71.2.2控制方法及实现方案81.2.3提高效率的方法及实现方案92电路设计与参数计算102.1DC-DC回路器件的选择及参数计算102.2控制电路设计与参数计算112.3保护电路设计与参数计算122.4数字设定及显示电路的设计133测试方法与数据133.1测量输出电压U0可调
2、范围13表1输出电压调可调范围133.3测量电压调整率SU133.4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%143.5测量输出噪声纹波电压峰峰值144系统的软件设计.175系统测试.215.1测试方法与数据分析.235.2电压调整率的测量方法.235.3输出纹波的测定.235.4电源效率的测量.236心得体会摘要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
3、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。以凌阳16位单片机为控制核心,具有电压可预置;可步进调整;输出电压、预置电压、输出电流同时显示;过流保护及自动恢复功能。并较好的完成了基本和发挥部分的各项指标。另外又增加了30V-36V精确调整、语音播报及人性
4、化的声光警示功能。系统主要包括:凌阳SPCE061A精简开发板、键盘与LCD显示电路、整流滤波电路、开关控制电路、反馈控制电路等。通过实验验证电路实现了设计要求的全部基本指标,并且DC-DC变换效率达到85%。电路设计还有很多不足,各项设计指标还有待进一步提高。关键词:开关稳压电源的结构、设计开关管滤波电容储能电感Designbasedoncircuit,switchmodepowersupplycircuitconsistsofisolatingtransformer,RectifierfilteringandDC-DCconverters,controlsystems,displaysan
5、dothercircuitmodules.SelectaBoostboostconverterimplementsDC-DCtransform,circuitstructuresimple,theconversionefficiencyishigh;usesmallon-resistance,highswitchingspeedIRF640tubeforswitchingvalve,choosefastrecoverydiodeRHRP15120rectifier,reducingreverseconductiontime,reducelosses.ControlsystemsuseSCMAD
6、uC812andPWMcontrollerSG3525throughcommondoublelooploopcontrolcircuittoachieveDC-DCoutputvoltagestability,adjustable;SG3525togeneratehighfrequencypulsecontrolDC-DCtransform,ADuC812showing,A/DandD/Aconversion,over-currentprotection,voltagefeedbacksignal,control,displayADuC812andhumanexchange,etc.ToSun
7、plus16bitMCUcoreforcontrol,withthevoltagecanbepreset;steppingadjusting;outputvoltage,presetvoltage,outputcurrentattheshow;overcurrentprotectionandautomaticrecoveryfeature.Andbettercompletedbasicandplaysomeoftheindicators.Additionallyadded30V-36Vpreciselyadjust,voicebroadcastandhumanizationofsoundand
8、lightalarmfunction.Thesystemmainlyincludes:SunplusSPCE061AstreamlineDevelopmentBoard,keyboardandLCDdisplaycircuit,Rectifierfiltercircuit,switchcontrolcircuits,feedbackcontrolcircuits,etc.ThroughtheexperimentalvalidationofcircuitenablesthedesignrequirementsofallbasicindicatorsandDC-DCtransformationef
9、ficiencyreaches85%.Circuitdesigntherearestillmanyshortcomings,thedesignofindicatorshaveyettobefurtherenhanced.Tags:switchingpowersupplysstructure,designswitchtubefiltercapacitorinductance引言开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源
10、问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%70%,而线性电源的效率只有3040。因此,用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;而航天、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也要小。此外,还要求开关电源效率要更
11、高,性能更好,可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点,获得了广泛地应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型,前者是一个直流稳压电源设计图单闭环电压控制系统,系统响应慢,很难达到较高的线形调整率精度开关稳压电源原理图;后者是一个电压、电流双闭环控制系统,电流控制型较电压控制型有不可比拟的优点。前言开关电源的电路组成,工作原理及其优点开关电源的工作原理开关电源有许多种,像正激式、反激式、半桥式、等等。不管什么式,它都是把直流电变成脉冲式的交流电,或控制脉
12、冲的频率达到稳压的目的,或控制脉冲的脉宽来达到稳压的目的,各种程式各有优点。不同的开关电源有不同的用途。开关电源一般都采用脉冲宽度调制(PWM)技术,其特点是效率高、功率密度高、可靠性高。PWM电路常选用电流控制型。该脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号,控制大功率开关管的通断状态来调节输出电压的大小,达到稳压目的,锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号,利用误差放大器的电流测定比较器形成电压闭环,利用电流测定、电流测定比器构成电流闭环,在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
13、假如电源电压变化或负载发生变化使输出电压升高时,则脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度,即减小输出PWM波形的占空比,使大功率晶体管导通的时间变短,斩波后的电压平均值下降,从而达到稳压目的,反之亦然。开关电源与线性电源的区别:线性电源,开关电源区别线性电源的调整管工作在放大状态,因而发热量大,效率低(35%左右),需要加体积庞大的散热片,而且还需要同样也是大体积的工频变压器,当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。开关电源的调整管工作在饱和和截至状态,因而发热量小,效率高(75以上)而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波(50mVat5Voutputtypical),
14、在输出端并接稳压二极管可以改善,另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰,也需要在电路中串连磁珠加以改善。相对而言线性电源就没有以上缺陷,它的纹波可以做的很小(5mV以下)。对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳,对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方(例如电容漏电检测)多选用线性电源。另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DCDC来做对隔离部分供电(DC-DC从其工作原理上来说就是开关电源)。还有,开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦开关电源和线性电源在内部结构上是完全不一样的,开关电源顾名思义有开关动作,它利用变占空比或变频的方法实现不同的电压,实现较为复杂,最大的优
15、点是高效率,一般在90以上,缺点是文波和开关噪声较大,适用于对文波和噪声要求不高的场合;而线性电源没有开关动作,属于连续模拟控制,内部结构相对简单,芯片面积也较小,成本较低,优点是成本低,文波噪声小,最大的缺点是效率低。它们各有有缺点在应用上互补共存!1系统方案设计与论证1.1设计思路基于题目的基本要求,可以采用图1所示的方案。系统主要由隔离变压、整流滤波、DCDC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、DCDC电压输出控制和稳压、显示、人机交换等功能;过流保护电
16、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。1.2方案的论证1.2.1DC-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。1.2.2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:控制软件编程工作量大、难度大;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;该设计要求对DC-DC变换器实现PWM控制的开关频率至少要
17、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:控制系统软件编程工作量较小,难度不大;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;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:硬件电器设计难度较大;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。系统的组成框图如图2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
18、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。1.2.3提高效率的方法及实现方案设计电路时,采取了以下方法降低损耗,提高DC-DC转换效率:通过提高工作频率,让工作频率达到100KHZ;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)0.18W,ID=18A)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trr65ns。2电路设计与参数计算系统总原理图2.1DC-DC回路器件的选择及参数计
19、算根据设计任务的要求-电感电流连续模式的Boost变换器,输入电压Vs=1824V,输出电压Vo=12V,5V输出电流Io=02A,开关频率fs=100kHZ,设定纹波电流Vo1V,分别计算电感、电容器和二极管的参数:2.2控制电路设计与参数计算控制系统是设计的关键部分,由单片机系统和脉宽调制控制器共同来控制DC-DC变换电路,实现电压稳定输出,达到设计的所有指标。单片机选用高集成度自带D/A和A/D转换的单片机ADuC812;脉宽调制控制器选用具有欠压锁定、系统故障关闭、软起动延时PWM驱动等功能的SG3525芯片。控制系统的电路图如图3所示,采用双闭环控制电路来实现输出电压稳定。负载的电压
20、经R1取样反馈到SG3525的引脚1端(误差放大器反向输入端);单片机ADuC812采集R1取样电压,通过软件进行PID调节,D/A转换后反馈到SG3525的引脚2端(误差放大器同向输入端);SG3525的引脚1、2的电压通过芯片内部误差放大器比较并输出误差电压Vea,Vea通过比较器与锯齿波进行比较,11脚输出一个脉宽可变的PWM脉冲来调节DC-DC变换电路,最终实现输出电压稳定、可调。2.3保护电路设计与参数计算如图3当电路稳定输出36伏,若流经负载的电流为2.5安,R7(阻值0.3欧,康铜丝扰制)的压降为0.75V,即第10引脚电压为0.75伏,触发PWM输出关闭,实现了电路过流保护功能
21、,动作电流为Io(th)=2.5+0.2A。2.4数字设定及显示电路的设计数字设定及显示功能由单片机ADuC812来实现,具体的电路设计和控制程序见附录。通过按键设定送到SG3525的电压、调节数码管的显示模式,按键详细功能如下:键1:模式键-切换上升/下降功能、电流显示和电压显示。键2:上升键3:下降3测试方法与数据3.1测量输出电压U0可调范围通过调节给定变阻器或D/A输出电压调节SG3525第2脚输入给定电压,用数字万用表测量输出端可稳定输出3036V。调节第2脚电压,测得输出电压的实验数据如表1所示。2脚电压(V)1.981.921.871.831.761.701.65输出端电压(V)
22、36353433323130表1输出电压调可调范围3.2测量输出电流Iomax选用18欧大功率电阻,在直流输出电压为36伏时,通过万用表测得输出电流达到2A。3.3测量电压调整率SUDC-DC模块,输入电压U2从15V变到21伏,输出电流为2A时,对应的输出电压Uo和电压调整率SU实验数据如表2所示。U2(V)15161718192021Uo(V)35.2935.3135.3435.9236.6536.6836.71SU1.97%1.92%1.83%0.22%1.82%1.89%1.96%表2电压调整率SU实验数据3.4测量负载调整率SI负载空载时,输出端电压为12V;负载电流为2A时,输出端
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