【正文】 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 1 基于 PIC單片機控制的支流穩(wěn)壓電源的設計 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 2 論文名稱 摘 要 將 現代電力電子技術 中的整流、濾波、斬波技術， PWM脈寬調制技術，單片機技術，檢測技術等有機結合在一起，使直流穩(wěn)壓電源不僅在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上實現數控化、自動化與智能化。 設計主要分為主電路與控制電路。其中主電路包括：采用二極管組成的三相橋式不可控整流電路；采用絕緣柵雙極晶體管 IGBT 作為開關功率管的降壓斬波電路即穩(wěn)壓電路；電容濾波電路?？刂齐娐凡捎脝纹瑱C 經過軟件編程生成PWM 波，它作為 IGBT 驅動電路 EXB841 的輸入信號 ，實現對 IGBT 器件的導通關斷控制；單片機通過反饋電壓與所需基準電壓比較 調制 PWM 波，即 改變占空比，從而實現高性能可調直流穩(wěn)壓 . 關鍵詞： PIC16F877 直流穩(wěn)壓電源（開關電源） PWM 可編程 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 3 第 一 章 引言 電源是向電子設備提供功率的裝置，也稱電源供應器，它提供 電器 中所有部件所需要的電能。電源功率的大小， 電流和電壓 是否穩(wěn)定，將直接影響 電器 的工作性能和使用壽命。 所以在當今人們的生活中他已經 開始扮演著一個非常重要的角色 。 開關穩(wěn)壓電源 (以下簡稱開關電源 )問世后，在很多領域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現的是串聯型開關電源，其主電路拓撲與線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關狀態(tài)。隨著脈寬調制 (PWM)技術的發(fā)展， PWM開關電源問世，它的特點是用 20kHz 的載波進行脈沖寬度調制，電源的效率可達65%~70%，而線性電源的效率只有 30％ ~40％。因此，用工作頻率為 20 kHz 的 PWM開關電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關注，在電源 技 術 發(fā) 展 史 上 被 譽 為 20kHz 革 命 。 隨 著 超 大 規(guī) 模 集 成(ultralargescaleintegratedULSI)芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備 (如手提計算機、移動電話等 )更需要小型化、輕量化的電源。因此，對開關電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進了開關電源的不斷發(fā)展和進步。 開關電源的發(fā)展 史 1955 年美國的科學家羅那（ ）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術的各種形式的精益求精[2]不斷地被研制和涌現出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉和機械振子示換流設備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備。由于那時的微電子設備及技術十分落后，不能制作出耐壓高、開關速度較高、功率較大的晶體管，所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入 ，并且轉換的速度也不能太高。 60 年代，由于微電子技術的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現了，從此直流變換器就可以直接由市電經整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地擴大了它的應用范圍，并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關電源。省掉了工頻變壓器，又使開關穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。 70 年代以后，與這種技術有關的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關二極管、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產出來，使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源得到了飛 速的發(fā)展，并且被廣泛地應用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域，從而使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。 從 開關電源 發(fā)展史來講，如今已經走到第五代。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 4 第一代是 70年初，那時候從線性電源開始走向開關電源； 第二代是 1976 開始取得 UL 安規(guī)認證； 第三代從 80 年代中期開始，開關電源走向全球通用，因此電源的開發(fā)就不 能局限在北美 或者日本市場，輸入電壓要考慮 85~265V 范圍內，同時歐規(guī)和其他安規(guī)都要考慮進來； 第四代在 90 年中期，歐盟要求 EMC(電磁兼容 )，包括 PFC 方面的高次諧波要求； 現在進入了第五代， 2021 年 7月，歐盟將強制執(zhí)行 RoHS 條例，以限制有毒物質的使用，新一代的電源產品就這樣誕生了。 40 多年來，開關電源經歷了三個重要發(fā)展階段： 第一個階段是功率半導體器件從雙極型器件 (BPT、 SCR、 GT0)發(fā)展為 MOS 型器件 (功率 MOSFET、 IGBT、 IGCT 等 )，使電力電子系統(tǒng)有可能實現高頻化 ，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。 第二個階段自 20世紀 80年代開始，高頻化和軟開關技術的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術是過去 20 年國際電力電子界研究的熱點之一。 第三個階段從 20世紀 90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊 (IPEM)技術開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。 開關穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的對比 線性穩(wěn)壓電源概述 線性 穩(wěn)壓 電源（ Liner power supply）是先將交流電經過 變壓器 降低電壓幅值，再經過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經濾波得到帶有微小 波紋電壓的直流電壓。要達到高精度的直流電壓，必須經過穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。 一般來說， 線性 穩(wěn)壓 電源由調整管、 參考電壓、 取樣電路、 誤差放大電路等幾個基本部分組成。 另外還可能包括一些例如保護電路，啟動電路等部分。 線性電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點是：輸出電壓比輸入電壓低；反應速度快，輸出紋波較??；工作產生的噪聲低；效率較低(現在經常看的 LDO 就是為了解決效率問題而出現的 )；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。 開關穩(wěn)壓電源概述 開關電源是利用現代 電力電子 技術，控制開關 管開通和關斷的時間比率， 從而實現升壓和降壓， 維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源 ， 開 關 電源 一般由脈沖寬度調制（ PWM）控制 IC 和 MOSFET 構成 。 簡單地說， 開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的道通與截止。 開關電源實質就是一個振蕩電路，這種轉換電能的方式，不僅應用在電源電路，在其它的電路應用也很普遍，如液晶顯示器的背光電路、日光燈等。開關源與變壓器相比具有效率高、穩(wěn)性好、體積小等優(yōu)點，缺點是功率相對較小，而且會對電路產生高頻干擾，電路復雜不易維修等。 開關電源中應用的電力電子器件主要為 二極管 、 IGBT 和 MOSFET。 在談開關電源之前，先熟悉一下變壓器反饋式振蕩電路，能產生有規(guī)律的脈沖電流 或電壓的電路叫振蕩電路，變壓器反饋式振蕩電路就是能滿足這種條件的電路；它于基本放大電路與一個反饋回路組成，其中 C L1 組成一個并聯諧振選頻電路，在電路通電的瞬間 VT 導通，此時在 C L1組成的并聯諧振電路上產上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 5 生非常豐富的諧波，當外加頻率和并聯諧振電路的固有頻率相等時 ,電路進入振蕩狀態(tài)，并通過 L3 反饋到 VT 的基極進一步放大，最終形成有規(guī)律的脈沖電流或電壓輸出到負載 RL 上。開關電源就是圍繞變壓器反饋式振蕩電路而設計，只不過在原來的基礎上增加了一些保護和控制電路，我們可以用分析振蕩電路的方法來分析開關電源。 開關電源振按蕩方式分，可以分為自激式和它激式兩種，自激式是無須外加信號源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個變壓器反饋式振蕩電路，而它激式則完全依賴于外部維持振蕩，在實際應用中自激式應用比較廣泛。根據激勵信號結構分類；可分為脈沖調寬和脈沖調幅兩種，脈沖調寬是控制信號的寬度，也就是頻率，脈沖調幅控制信號的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一范圍內，達到穩(wěn)定電壓的效果。變壓器的繞組一般可以分成三種類型，一組是參與振蕩的初級繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負載繞組。在家用電器中使用的開關 電源，將 220V 的交流電經過橋式整流，變換成 300V 左右的直流電，濾波后進入變壓器后加到開關管的集電極進行高頻振蕩，反饋繞組反饋到基極維持電路振蕩，負載繞組感應的電信號，經整流、濾波、穩(wěn)壓得到的直流電壓給負載提供電能。負載繞組在提供電能的同時，也肩負起穩(wěn)定電壓的能力，其原理是在電壓輸出電路接一個電壓取樣裝置，監(jiān)測輸出電壓的變化情況，及時反饋給振蕩電路調整振蕩頻率，從而達到穩(wěn)定電壓的目的，為了避免電路的干擾，反饋回振蕩電路的電壓會用光電耦合器隔離。大多數開關電源有待機電路，在待機狀態(tài)開關電源還在振蕩，只是頻率 比正常工作時要低。 開關電源的工作流程是： 電源 → 輸入濾波器 → 全橋整流 → 直流濾波 → 開關管（振蕩逆變） → 開關變壓器 → 輸出整流與濾波。 。 PWM(脈沖寬度調制 )信號控制開關管 ,將那個直流加到開關變壓 器初級上 。 ,經整流濾波供給負載 。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 6 ,控制 PWM 占空比 ,以達到穩(wěn)定輸出的目的 。 交流電源輸入時一般要經過厄流圈一類的東西 ,過濾掉電網上的干擾 ,同時也過濾掉電源對電網的干擾 。 在功率相同時 ,開關頻率越高 ,開關變壓器的體積就越小 ,但對開關管的要求就越高 。 開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭 ,以得到需要的輸出 。 一般還應該增加一些保護電路 ,比如空載、短路等保護 ,否則可能會燒毀開關電源 . 主要用于工業(yè)以及一些家用電器上，如電視機，電腦等 開關穩(wěn)壓電源 與線性穩(wěn)壓電源的對比 開關電源的主要工作原理就是上橋和下橋的 Mos 管輪流導通，首先電流通過上橋 Mos 管流入，利用線圈的存儲功能，將電能集聚在線圈中，最后關閉上橋Mos 管，打開下橋的 Mos 管，線圈和電容持續(xù)給外部供電 。然后又關閉下橋 Mos管，再打開上橋讓電流進入，就這樣重復進行，因為要輪流開關 Mos管，所以稱為開關電源。 而線性電源就不一樣了，由于沒有開關介入，使得上水管一直在放水，如果有多的， 就會漏出來，這就是我們經?？吹降哪承┚€性電源的 Mos 管發(fā)熱量很大，用不完的電能 ，全部轉換成了熱能。從這個角度來看，線性電源的轉換效率就非常低了，而且熱量高的時候，元件的壽命勢必要下降 ，影響最終的使用效果 。 開關電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。 線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，也就是說他一用起來功 率器件就是一直在工作，所以也就導致 它 的工作效率低，一般在 50%~60%，還得說他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使 它 從高壓變低壓必須有將壓裝置，一般的都是變壓器，也有別的像 KX 電源，再經過整流輸出直流電壓。這樣一來 他 的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。 它 也有 它 的優(yōu)點：紋波小，調整率好，對外干擾小。適合用與模擬電路，各類放大器等。 開關電源。 它 的功率器件工作在開關狀態(tài)，（一開一關，一開一關，頻率非常快，一般的平板開關電源頻率在 100~200KHz，模塊電源在３００～５００ＫＨＺ）．這樣 它 的損耗 就小，效率也就高，對變壓器也有了要求，要用高磁導率的材料來做． 它 的變壓器就是一個字?。剩福埃ァ梗埃グ桑畵f美國最好的ＶＩＣＯＲ模塊高達９９％．開關電源的效率高體積小，但是和線性電源比他的紋波，電壓電流調整率就有折扣了 。 對于電源效率和安裝體積有要求的地方用開關電源為佳，對于電磁干擾和電源純凈性有要求的地方（例如電容漏電檢測）多選用線性電源。另外當電路中需要作隔離的時候現在多數用 DC－ DC 來做對隔離部分供電（ DCDC 從其工作原理上來說就是開關電源）。還有，開關電源中用到的高頻變壓器可能繞制起來比較麻 煩。 開關電源技術的發(fā)展動向 開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新