【正文】 開關電源系統(tǒng)設計方案畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II1 緒言 研究目標及意義 2 本課題主要的研究內容 32 系統(tǒng)設計方案與論證 4 4 DC/DC電路模塊方案 4 MOSEFT驅動電路方案 7 單片機選擇方案 7 8 83 硬件電路設計 9 11 Buck電路參數選擇原理和計算 12 12 電感值的計算 15 濾波電容的計算 15 16 18 19 204 軟件部分設計 AVR128簡介 21 PWM波的產生 22 AD采樣 255系統(tǒng)調試及結果分析6 總結與展望 總結 30 展望 30致 謝 31參考文獻 32附 錄 341 緒言開關電源具有效率高、體積小、重量輕等特點，應用越來越廣泛，從70年代開始，并用輕量高頻變壓器替代笨重的工頻變壓器。高效的開關電源飛速發(fā)展，逐步替代傳統(tǒng)的的線性電源，開關電源不需要較大的散熱器，開關電源自20世紀90年代問世以來，便顯示出強大的生命力，并以其優(yōu)良特性倍受人們的青睞。近年來，開關電源在通信、工業(yè)自動化、航空、儀表儀器等領域的應用越來越廣泛。隨著電源技術的飛速發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源正朝著小型化、高頻化、模塊化的方向發(fā)展，高效率的開關電源已經得到越來越廣泛的應用。隨著高頻開關電源技術和應用電子技術的高速發(fā)展，直流高頻開關電源依靠它的高精度、低紋波及高效率等優(yōu)越性能，正在逐步取代傳統(tǒng)的線性電源。同時，高頻開關電源系統(tǒng)的高速響應性能、輸出短路電流限制及穩(wěn)壓和穩(wěn)流等優(yōu)點也使其負載的使用壽命大大增加。評價開關電源的質量指標應該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術指標滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過流、短路等保護電路。同時，在同一開關電源電路中，設計多種保護電路的相互關聯和應注意的問題也要引起足夠的重視[15]。許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網的污染源：向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數下降，使電網電壓耦合出許多毛刺尖峰，甚至出現畸變。大量的諧波分量倒流入電網，造成對電網的諧波“污染”，一方面電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，反過來使電網電壓也發(fā)生畸變。另一方面，會造成電路故障，使用設備損壞。因為它沒有采用有源功率因數校正，功率因數較低，只達到 ，如果采用有效的功率因數校正。開關電源輸入端產生功率因數下降問題，利用有源功率因數校正電路，成本只增加5%，成功解決了這個問題。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種校正功率因數的方法[1]。 目前市場上出售的開關電源中采用雙極性晶體管制成的100kHz、用MOSFET管制成的500kHz 電源，雖已實用化，但其頻率有待進一步提高。要提高開關頻率，就要減少開關損耗，而要減少開關損耗，就需要有高速開關元器件。然而，開關速度提高后，不僅會影響周圍電子設備，還會大大降低電源本身的可靠性。對1MHz以上的高頻，要采用諧振電路，這樣既可減少開關損耗，同時也可控制浪涌的發(fā)生?，F代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現，現代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高工作頻率，提高開關電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開關電源。 開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子產品的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，對供電電源的要求也越來越靈活多樣。開關電源是現代電子設備的“心臟供血系統(tǒng)”，他能把電網提供的強電和“粗電”變換成各種電器設備和儀器所需要的高穩(wěn)定度得“精電”和“細電”?，F代電子設備中使用的直流穩(wěn)壓電源有兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開關性穩(wěn)壓電源。所謂線性穩(wěn)壓電源就是起調整管工作在線性放大區(qū)，這種電源最大的缺點是變換效率低，一般只有35%~60%左右。開關電源的開關管工作在開關狀態(tài)，其主要優(yōu)越性就是變換效率高，可高達75%~90%。開關電源具有很大的發(fā)展前景，但是隨其高頻化帶來的問題也越來越多，所以值得研究。、研究目標及意義目前開關電源的使用對象涵蓋了包括空間技術、計算機、通信、儀器儀表、汽車電子、照明電器及家用電器等領域，幾乎可以說是只要有電子產品的地方就有開關電源的用武之地。開關電源的誕生歷史雖然短暫，但是開關電源技術的發(fā)展卻是日新月異。從最早的自激振蕩式（RCC）到反激振蕩式（Flyback），再到正激式（Forward）。從硬開關（Hard Switching）到軟開關（Soft Switching），包括ZVS（Zero Voltage Switching）、ZCS（Zero Current Switching）。從當初60%~70%的轉換效率到現在的80%~90%的轉換效率（甚至更高）；從當初不考慮待機功耗到要求待機功耗必須小于1W。開關電源技術的迅速發(fā)展與市場領域的進一步擴大，順應了電子產品市場的需要[3]。傳統(tǒng)的晶體管串聯調整穩(wěn)壓器，雖有輸出紋波小，雜音低等優(yōu)點，但是卻又有效率低，體積大而重、過載能力差等嚴重弱點，并且消耗大量有色金屬。20世紀70年代中期以來，無工頻變壓器的開關電源技術風靡世界各個工業(yè)化國家。這種電源丟掉了笨重的工頻變壓器，功率管工作在開關狀態(tài)，功率變換器以20kHz~2MHz以上的頻率工作，因此效率大大提高，體積和重量大大減小。以功率晶體管（MOSFET）為例，當開關管飽和導通時，漏極（Drian）和源極（Source）兩端的壓降接近零，在開關管截止時，其漏極電流為零，所以其消耗的功率低、效率高，一般可高達70%~95%。穩(wěn)壓管體積小質量輕，調整管功率損耗較小，散熱器也隨之減小。此外，開關頻率工作在幾十千赫，濾波電容器，電感器可用較小數值的原件，允許的環(huán)境溫度也可大大提高，機內升溫低，提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對電網的適應能力也有較大的提高，一般串聯穩(wěn)壓電源允許電網波動范圍為220177。10%，而開關型穩(wěn)壓電源在電網電壓從90V~264V范圍內時，都可以獲得穩(wěn)定的輸出電壓。同時加入了功率因數校正技術，使電網的諧波大大減小，降低了無功功率的損耗，提高了電網的使用效率，滿足綠色、環(huán)保的要求[1]。目前，在電源系統(tǒng)的體積大小方面還有大量的工作要做，對比四十年前六個大機柜組成的分立原件及小規(guī)模IC的數字計算機，其功能還不如現在的筆記本電腦。相比之下，我們現在的電源體積在電子設備中占的比例還是太大，功率密度遠遠不夠高。VICOR公司的VTM及PRM開辟了DC/DC的新篇章。然而VICOR的CEO講，電源技術水平提高的空間仍然很大，我們不能總躺在原有的電路拓撲形式上，要創(chuàng)新，要走新路。美國目前的數字電源發(fā)展速度很快，不僅對大的通信電源完成了設計及配套，而且專塊的DC/DC系統(tǒng)也已經數字化，TI（德州儀器）、MICROCHIP（微芯國際）等都推出了相應的產品，Galexy公司的DC/DC都加入了MCU或CPU，連NoteBook的適配器也進入了全數字的控制芯片時代，而且包含了對PFC及PWM兩部分的控制。開關電源的發(fā)展方向：（1）輸入電壓通用 （2）擴大輸入電壓范圍 （3）提高輸入側功率因數。相關技術發(fā)展：（1）SMT及自動化技術的應用，專用集成電路的發(fā)展技術 （2）軟開關技術 （3）電力系統(tǒng)的管理控制智能化 （4）CAD技術的應用。 本課題主要的研究內容課題研究的內容分軟件和硬件。硬件部分設計分成以下幾個部分（1） 輔助電源的設計。（2） DC/DC拓撲結構的選擇，各電感、電容參數的選擇。（3） 驅動模塊設計。（4） 保護電路的設計，包括繼電器的選擇等。（5） 采樣電路的設計。（6） 整流濾波電路的設計。軟件部分的設計，該系統(tǒng)的軟件是在AVR128的環(huán)境中實現的。包括PWM波的產生，AD采樣和保護程序。2 系統(tǒng)設計方案與論證（1） 當輸入電壓穩(wěn)定時，輸出電壓為較穩(wěn)定直流電壓，；（2） 輸出電壓的紋波；（3） 整流電路采用單相橋式整流； （4） 濾波電路采用LC濾波電路；（5） 在電壓處接入電阻負載，輸出功率可達5瓦。 DC/DC電路模塊方案方案一：DC/DC模塊拓撲結構采用（Buck Chopper）降壓斬波電路[15]。： Buck電路原理圖Buck電路的優(yōu)點是開關管的耐壓值可以選得較低（一般在1000V以下）。工作時，輸入電壓的極性是上正下負，輸出電壓也是上正下負。在整個回路中輸入和輸出電壓的極性是相反的。在開關管截止時輸入電壓和儲能電感兩端的電壓極性是相同的，但是與輸出電壓的極性相反所以加在開關管兩端的電壓Uv為輸入電壓E加上儲能電感兩端的電壓Ul再減去輸出電壓Uo，所以開關管兩端的電壓較低。 (21)在t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓，負載電流按指數曲線上升。當時刻，控制V關斷，負載電流經二極管D續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常使串聯的電感L值較大。至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一周期的過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的