【正文】 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 基于 PIC單片機(jī)控制的支流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 論文名稱 摘 要 將 現(xiàn)代電力電子技術(shù) 中的整流、濾波、斬波技術(shù)， PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)等有機(jī)結(jié)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(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化與智能化。 設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)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(jī) 經(jīng)過(guò)軟件編程生成PWM 波，它作為 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 EXB841 的輸入信號(hào) ，實(shí)現(xiàn)對(duì) IGBT 器件的導(dǎo)通關(guān)斷控制；單片機(jī)通過(guò)反饋電壓與所需基準(zhǔn)電壓比較 調(diào)制 PWM 波，即 改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)高性能可調(diào)直流穩(wěn)壓 . 關(guān)鍵詞： PIC16F877 直流穩(wěn)壓電源（開(kāi)關(guān)電源） PWM 可編程 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 第 一 章 引言 電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)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(dāng)今人們的生活中他已經(jīng) 開(kāi)始扮演著一個(gè)非常重要的角色 。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 (以下簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源 )問(wèn)世后，在很多領(lǐng)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(xiàn)的是串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)的發(fā)展， PWM開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世，它的特點(diǎn)是用 20kHz 的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達(dá)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(kāi)關(guān)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(guān)注，在電源 技 術(shù) 發(fā) 展 史 上 被 譽(yù) 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(kāi)關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備 (如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等 )更需要小型化、輕量化的電源。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步。 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展 史 1955 年美國(guó)的科學(xué)家羅那（ ）首先研制成功了利用磁芯的飽和來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精[2]不斷地被研制和涌現(xiàn)出來(lái)，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子示換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開(kāi)關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入 ，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。 60 年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開(kāi)關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開(kāi)關(guān)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(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開(kāi)關(guān)二極管、開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來(lái)，使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛 速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。 從 開(kāi)關(guān)電源 發(fā)展史來(lái)講，如今已經(jīng)走到第五代。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第一代是 70年初，那時(shí)候從線性電源開(kāi)始走向開(kāi)關(guān)電源； 第二代是 1976 開(kāi)始取得 UL 安規(guī)認(rèn)證； 第三代從 80 年代中期開(kāi)始，開(kāi)關(guān)電源走向全球通用，因此電源的開(kāi)發(fā)就不 能局限在北美 或者日本市場(chǎng)，輸入電壓要考慮 85~265V 范圍內(nèi)，同時(shí)歐規(guī)和其他安規(guī)都要考慮進(jìn)來(lái)； 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(xiàn)在進(jìn)入了第五代， 2021 年 7月，歐盟將強(qiáng)制執(zhí)行 RoHS 條例，以限制有毒物質(zhì)的使用，新一代的電源產(chǎn)品就這樣誕生了。 40 多年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段： 第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高頻化 ，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。 第二個(gè)階段自 20世紀(jì) 80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去 20 年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。 第三個(gè)階段從 20世紀(jì) 90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊 (IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的對(duì)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(jīng)過(guò) 變壓器 降低電壓幅值，再經(jīng)過(guò)整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到帶有微小 波紋電壓的直流電壓。要達(dá)到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。 一般來(lái)說(shuō)， 線性 穩(wěn)壓 電源由調(diào)整管、 參考電壓、 取樣電路、 誤差放大電路等幾個(gè)基本部分組成。 另外還可能包括一些例如保護(hù)電路，啟動(dòng)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(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較?。还ぷ鳟a(chǎn)生的噪聲低；效率較低(現(xiàn)在經(jīng)常看的 LDO 就是為了解決效率問(wèn)題而出現(xiàn)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源概述 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， 從而實(shí)現(xiàn)升壓和降壓， 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 。 簡(jiǎn)單地說(shuō)， 開(kāi)關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止。 開(kāi)關(guān)電源實(shí)質(zhì)就是一個(gè)振蕩電路，這種轉(zhuǎn)換電能的方式，不僅應(yīng)用在電源電路，在其它的電路應(yīng)用也很普遍，如液晶顯示器的背光電路、日光燈等。開(kāi)關(guān)源與變壓器相比具有效率高、穩(wěn)性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是功率相對(duì)較小，而且會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生高頻干擾，電路復(fù)雜不易維修等。 開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為 二極管 、 IGBT 和 MOSFET。 在談開(kāi)關(guān)電源之前，先熟悉一下變壓器反饋式振蕩電路，能產(chǎn)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(gè)反饋回路組成，其中 C L1 組成一個(gè)并聯(lián)諧振選頻電路，在電路通電的瞬間 VT 導(dǎo)通，此時(shí)在 C L1組成的并聯(lián)諧振電路上產(chǎn)上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 生非常豐富的諧波，當(dāng)外加頻率和并聯(lián)諧振電路的固有頻率相等時(shí) ,電路進(jìn)入振蕩狀態(tài)，并通過(guò) L3 反饋到 VT 的基極進(jìn)一步放大，最終形成有規(guī)律的脈沖電流或電壓輸出到負(fù)載 RL 上。開(kāi)關(guān)電源就是圍繞變壓器反饋式振蕩電路而設(shè)計(jì)，只不過(guò)在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了一些保護(hù)和控制電路，我們可以用分析振蕩電路的方法來(lái)分析開(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)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(wú)須外加信號(hào)源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個(gè)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(shí)際應(yīng)用中自激式應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)結(jié)構(gòu)分類；可分為脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種，脈沖調(diào)寬是控制信號(hào)的寬度，也就是頻率，脈沖調(diào)幅控制信號(hào)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(nèi)，達(dá)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(jí)繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負(fù)載繞組。在家用電器中使用的開(kāi)關(guān) 電源，將 220V 的交流電經(jīng)過(guò)橋式整流，變換成 300V 左右的直流電，濾波后進(jìn)入變壓器后加到開(kāi)關(guān)管的集電極進(jìn)行高頻振蕩，反饋繞組反饋到基極維持電路振蕩，負(fù)載繞組感應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓得到的直流電壓給負(fù)載提供電能。負(fù)載繞組在提供電能的同時(shí)，也肩負(fù)起穩(wěn)定電壓的能力，其原理是在電壓輸出電路接一個(gè)電壓取樣裝置，監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化情況，及時(shí)反饋給振蕩電路調(diào)整振蕩頻率，從而達(dá)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(huì)用光電耦合器隔離。大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源有待機(jī)電路，在待機(jī)狀態(tài)開(kāi)關(guān)電源還在振蕩，只是頻率 比正常工作時(shí)要低。 開(kāi)關(guān)電源的工作流程是： 電源 → 輸入濾波器 → 全橋整流 → 直流濾波 → 開(kāi)關(guān)管（振蕩逆變） → 開(kāi)關(guān)變壓器 → 輸出整流與濾波。 。 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管 ,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓 器初級(jí)上 。 ,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載 。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 ,控制 PWM 占空比 ,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的 。 交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過(guò)厄流圈一類的東西 ,過(guò)濾掉電網(wǎng)上的干擾 ,同時(shí)也過(guò)濾掉電源對(duì)電網(wǎng)的干擾 。 在功率相同時(shí) ,開(kāi)關(guān)頻率越高 ,開(kāi)關(guān)變壓器的體積就越小 ,但對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求就越高 。 開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭 ,以得到需要的輸出 。 一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路 ,比如空載、短路等保護(hù) ,否則可能會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)電源 . 主要用于工業(yè)以及一些家用電器上，如電視機(jī)，電腦等 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 與線性穩(wěn)壓電源的對(duì)比 開(kāi)關(guān)電源的主要工作原理就是上橋和下橋的 Mos 管輪流導(dǎo)通，首先電流通過(guò)上橋 Mos 管流入，利用線圈的存儲(chǔ)功能，將電能集聚在線圈中，最后關(guān)閉上橋Mos 管，打開(kāi)下橋的 Mos 管，線圈和電容持續(xù)給外部供電 。然后又關(guān)閉下橋 Mos管，再打開(kāi)上橋讓電流進(jìn)入，就這樣重復(fù)進(jìn)行，因?yàn)橐喠鏖_(kāi)關(guān) Mos管，所以稱為開(kāi)關(guān)電源。 而線性電源就不一樣了，由于沒(méi)有開(kāi)關(guān)介入，使得上水管一直在放水，如果有多的， 就會(huì)漏出來(lái)，這就是我們經(jīng)常看到的某些線性電源的 Mos 管發(fā)熱量很大，用不完的電能 ，全部轉(zhuǎn)換成了熱能。從這個(gè)角度來(lái)看，線性電源的轉(zhuǎn)換效率就非常低了，而且熱量高的時(shí)候，元件的壽命勢(shì)必要下降 ，影響最終的使用效果 。 開(kāi)關(guān)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(shuō)他一用起來(lái)功 率器件就是一直在工作，所以也就導(dǎo)致 它 的工作效率低，一般在 50%~60%，還得說(shuō)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(jīng)過(guò)整流輸出直流電壓。這樣一來(lái) 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(diǎn)：紋波小，調(diào)整率好，對(duì)外干擾小。適合用與模擬電路，各類放大器等。 開(kāi)關(guān)電源。 它 的功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，（一開(kāi)一關(guān)，一開(kāi)一關(guān)，頻率非?？欤话愕钠桨彘_(kāi)關(guān)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(duì)變壓器也有了要求，要用高磁導(dǎo)率的材料來(lái)做． 它 的變壓器就是一個(gè)字?。剩福埃ァ梗埃グ桑畵?jù)說(shuō)美國(guó)最好的ＶＩＣＯＲ模塊高達(dá)９９％．開(kāi)關(guān)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(diào)整率就有折扣了 。 對(duì)于電源效率和安裝體積有要求的地方用開(kāi)關(guān)電源為佳，對(duì)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(cè)）多選用線性電源。另外當(dāng)電路中需要作隔離的時(shí)候現(xiàn)在多數(shù)用 DC－ DC 來(lái)做對(duì)隔離部分供電（ DCDC 從其工作原理上來(lái)說(shuō)就是開(kāi)關(guān)電源）。還有，開(kāi)關(guān)電源中用到的高頻變壓器可能繞制起來(lái)比較麻 煩。 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新