【正文】 摘 要 目前在軍事通信裝備上所配發(fā)的穩(wěn)壓電源技術(shù)比較落后，而新型的開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源功能比較單一。論文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種利用單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)型智能穩(wěn)壓電源，包括了開(kāi)關(guān)電源部分、電池充放電部分與單片機(jī)控制部分。 開(kāi)關(guān)電源部分:采用半橋式硬開(kāi)關(guān)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，對(duì)其核心器件等主要參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，在設(shè)計(jì)中利用屏蔽變壓器、采用吸收電路以及合理布局等方法去減小和防止電磁干擾。 電池充放電部分:利用改變PWM輸出脈寬使電源的輸出電壓大小變化，調(diào)整輸出電流的大小；充電脈沖的產(chǎn)生則是通過(guò)控制PWM的輸出有無(wú)，使得電源的輸出表現(xiàn)為脈沖式輸出的形式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組的脈沖充電，利用脈沖式放電也解決了功率和體積比較大的放電電阻問(wèn)題。 以PIC16F877單片機(jī)為系統(tǒng)的主控核心，對(duì)電源的穩(wěn)壓輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)并告警、對(duì)電池是否充滿進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)了智能化控制。關(guān)鍵詞：智能充電；穩(wěn)壓電源；單片機(jī)；目 錄目 錄 I第一章 穩(wěn)壓電源 1 直流穩(wěn)壓電源 1 線性穩(wěn)壓電源 1 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 2 開(kāi)關(guān)電源 2 開(kāi)關(guān)電源原理 2 半橋式開(kāi)關(guān)電源原理 4 PWM控制器SG1525A 6第二章 電池的充電原理 8 可充電電池 8 電池的充電方法 9 電池的充滿檢測(cè) 10第三章 可充電穩(wěn)壓電源總體方案設(shè)計(jì) 11 電源的技術(shù)指標(biāo)和功能要求 11 功能要求 11 技術(shù)指標(biāo) 11 電源的硬件方案設(shè)計(jì) 12 13 13 14 電源的充放電控制方案設(shè)計(jì) 14第四章 可充電穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì) 16 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 16 16 17 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 21 21 22 充放電控制電路設(shè)計(jì) 24 24 25 防電磁干擾措施 26 26(EMI)方法 26第五章 可充電穩(wěn)壓電源的軟件設(shè)計(jì) 29 軟件主流程 29 A/D轉(zhuǎn)換子程序 30 電源使用的充電控制設(shè)計(jì) 30 30(NiCd)/氫鎳(NiH)電池的充滿檢測(cè)方法 31 穩(wěn)壓輸出、浮充子程序 31結(jié) 論 33參考文獻(xiàn) 34引 言 隨著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)向小規(guī)模、數(shù)字化發(fā)展的趨勢(shì)和滿足軍事行動(dòng)中的機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)能力的需求，通信裝備也正積極加快隨之發(fā)展。然而，目前配備給通信裝備的配套電源仍然比較落后，存在著許多技術(shù)上的不足:(1) 使用復(fù)雜、使用前要手動(dòng)調(diào)整電流、電壓充電過(guò)程中要有人隨時(shí)看護(hù)。(2) 檢測(cè)方式單一，可靠性差。存在對(duì)電池過(guò)充電、欠充電使容量下降等問(wèn)題，嚴(yán)重影響電池壽命。(3) 對(duì)可充電電池操作類型單一、通用性差。(4) 體積大，笨重，而且效率低，不適應(yīng)現(xiàn)代化裝備要求。(5) 不能消除鎳電池的“一記憶”特性，使電池使用效率降低。(6) 充電時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足軍事行動(dòng)中應(yīng)急使用。 目前，國(guó)內(nèi)外在充電電源的研究方面主要朝著智能化、集成化和高頻化等幾個(gè)方面發(fā)展[1]:科學(xué)出版社，2001:315.1]。世界各國(guó)都在研究智能化決速充電技術(shù)，目前己經(jīng)研制出了許多專用的電池充電模塊，但能夠買(mǎi)到的幾乎都是小電流的民用產(chǎn)品，大電流軍品級(jí)的還需要自己開(kāi)發(fā)。為了滿足軍事行動(dòng)中的需要，保障通信的可靠性，急需開(kāi)發(fā)一種智能充電穩(wěn)壓電源能為通信裝備提供12V和24V穩(wěn)定電壓；能對(duì)各種電池組進(jìn)行快速充電；并且要求體積小、重量輕。能提供各種保護(hù)功能；解決由于過(guò)、欠充電而帶來(lái)的電池壽命短的問(wèn)題；同時(shí)也要滿足電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)、三防和振動(dòng)等軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求。第一章 穩(wěn)壓電源本章主要討論了穩(wěn)壓電源以及開(kāi)關(guān)電源的原理，對(duì)電源中用到的脈沖寬度調(diào)制(PWM)芯片SG1525A進(jìn)行了介紹。 穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置。對(duì)一個(gè)理想的直流穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有下述特點(diǎn)：(1) 在直流和所有頻率下，輸出阻抗為零；(2) 在交流電源電壓很寬的范圍內(nèi)，并在供電電路所要求的負(fù)載電流范圍內(nèi)，調(diào)整率為零；(直流電壓輸出恒定)(3) 功耗為零；(4) 電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流變化時(shí)，輸出電壓能立即恢復(fù)穩(wěn)定；(5) 當(dāng)過(guò)載電流消除時(shí)，過(guò)載保護(hù)裝置能自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)[2]Irving . Regulated voltage supplies. New York:Howard W Samsamp。Co I nc, 1982:910.2]。直流穩(wěn)壓電源包括線性控制型和開(kāi)關(guān)控制型兩種方式。線性穩(wěn)壓電源是調(diào)整元件工作在放大區(qū)域，是一個(gè)由電子元器件組成的線性反饋系統(tǒng)，通過(guò)改變調(diào)整元器件的控制信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)調(diào)節(jié)其等效電阻大小，從而穩(wěn)定輸出的電壓或者電流。它發(fā)展得最早，目前它的功率調(diào)整元件、放大元件、基準(zhǔn)穩(wěn)壓管和整流元件都是半導(dǎo)體元件。它的主要優(yōu)點(diǎn)是[3]，1986,(8):333.3]：(1)工作在線性放大狀態(tài)，因而具有瞬態(tài)反應(yīng)迅速，電壓穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度高，輸出紋波電壓小、射頻干擾小；(2)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其中控制電路所用的元件數(shù)量少。對(duì)調(diào)整管的開(kāi)關(guān)特性濾波器的高頻性能等無(wú)特別要求。所以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修都比較容易，一般成本亦比較低；(3)可靠性高。其缺點(diǎn)是效率低、笨重、體積較大，所以只適用于中、小功率和對(duì)電性能指標(biāo)要求比較高的場(chǎng)合。但由于線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)突出，所以盡管開(kāi)關(guān)電源發(fā)展迅速，它仍將繼續(xù)發(fā)展，特別適用于一些功率小、電性能技術(shù)指標(biāo)要求高的場(chǎng)合，目前主要朝高效率、高集成度方面發(fā)展。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是調(diào)整元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)得到穩(wěn)定的電壓輸出。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1) 體積小且重量輕由于它不需要通常笨重的工頻電源變壓器，而只用一只體積小、重量輕的高頻變壓器。調(diào)整管散熱器亦比較小。因此，整個(gè)電源的體積和重量比線性穩(wěn)壓電源小得多，一般只有線性穩(wěn)壓電源的20~30%。(2) 效率高開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的功率晶體管在高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，功耗小，因此效率很高，一般在60%以上，而線性電源一般只有30~40%。(3) 適應(yīng)性好能夠適應(yīng)電網(wǎng)變化范圍大，而線性穩(wěn)壓電源的工頻電源變壓器對(duì)頻率變化敏感，電網(wǎng)電壓的變化將導(dǎo)致調(diào)整管上壓差的變化，可能造成壓差太小或太大而不能正常工作。其缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、輸出的紋波電壓和射頻干擾比較大、瞬態(tài)響應(yīng)較差等。隨著半導(dǎo)體和磁性元器件的發(fā)展，開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源正朝著高頻化、高可靠性、低耗、模塊化、減低紋波電壓和射頻干擾、以及尋求新的最佳變換拓?fù)涞葋?lái)提高開(kāi)關(guān)電源性能的方向發(fā)展，并逐步取代傳統(tǒng)的線性電源。 開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。 和線性電源相比，線性電源的調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，因而發(fā)熱量大，效率低（35%左右），需要加體積龐大的散熱片，而且還需要同樣也是大體積的工頻變壓器，當(dāng)要制作多組電壓輸出時(shí)變壓器會(huì)更龐大。而開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和與截至狀態(tài)，因而發(fā)熱量小，效率高，而且省掉了大體積的變壓器。 開(kāi)關(guān)電源按輸入的電壓方式分可分為AC/DC和DC/DC兩大類，AC/DC變換是將交流變換為直流。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。 按隔離方式又可分為隔離和非隔離兩種，隔離型的必定有開(kāi)關(guān)變壓器，而非隔離的未必一定有[4]張占松，:電子工業(yè)出版社， 2004:13.4]。 在本設(shè)計(jì)中，由于功率不大，同時(shí)要求體積要小、成本要低，并且考慮到變壓器制作以及以后加大功率等方面的因素，所以采用了半橋式開(kāi)關(guān)電源。 。 開(kāi)關(guān)電源就是通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。由高壓直流到低壓多路直流的電路稱DC/DC變換，是開(kāi)關(guān)電源的核心技術(shù)。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源的工作原理是：(1) 交流電源輸入經(jīng)濾波整流成直流電壓；(2) 通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管，將直流電壓加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)；(3) 開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載；(4) 輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的[5]:廣東科技出版社，1992:410.5]。 開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制方式主要有占空比控制和幅度控制兩大類。 (1)幅度控制方式:即通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的輸入電壓Ui的幅值而控制輸出電壓Uo大小的控制方式，但要配以滑動(dòng)調(diào)節(jié)器； (2)占空比控制方式:占空比控制又包括脈沖寬度控制和脈沖頻率控制兩大類。 ①脈沖頻率控制:脈沖頻率控制是指開(kāi)關(guān)控制電壓Ui的脈沖寬度(即Ton)不變的情況下，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)工作頻率(改變單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即改變T)而達(dá)到控制輸出電壓Uo大小的一種方式，又稱脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制。 ②脈沖寬度控制:脈沖寬度控制是指開(kāi)關(guān)工作頻率(即開(kāi)關(guān)周期T)固定的情況下直接通過(guò)改變導(dǎo)通時(shí)間(Ton)來(lái)控制輸出電壓Uo大小的一種方式。因?yàn)楦淖冮_(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton就是改變開(kāi)關(guān)控制電壓Uc的脈沖寬度，因此又稱脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制。 開(kāi)關(guān)電源的原理框圖PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)椴捎昧斯潭ǖ拈_(kāi)關(guān)頻率，因