【正文】 ..............................................................................24 第 5 章 總 結(jié)與展 望 ......................................................................................................萬(wàn). 畢 業(yè)設(shè)計(jì)總 結(jié) ............................................... ............................................25 未來(lái)展 望 ....................................................... ............................................25 致 謝 ............................................................................................錯(cuò) 誤 ! 未定義書簽。開關(guān)電源以 其效率 高 、 重量 輕 、體積 小 等 優(yōu)勢(shì)在 許 多方面漸漸取 代 了 效 率低體積大的線性電 源。在 1980 年以 前 ， 功率變換器的開關(guān)頻率在 2039?，F(xiàn)在 20039。隨著開 關(guān)電 源 工 作頻率 的提高，開關(guān)電源的功率體積也不斷減小。AC/AC 稱為 交 流變 交流即交交變頻 。 開關(guān)電源的基本工作原理與應(yīng)用 1. 2. 1 開關(guān) 電 源的基本工作原理 開關(guān)電源由主回路和控制回路兩大部分構(gòu)成，它們的主環(huán)節(jié)是輸入濾波器、 整流器、高頻變壓器、功率因數(shù)校正環(huán) 節(jié) 、低通濾波器、 主 開關(guān)管、反饋電阻分 壓 器 、 給定環(huán)節(jié)、誤差放大器、驅(qū)動(dòng)模 塊 、 電 流采樣模塊等構(gòu)成。 8(s) i才 五 Ed/LiJ 「甲品運(yùn)王軍 民 給定環(huán)節(jié) (a) (b) ER(s) 乓 (s) (c) 圖 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖、框圖及代號(hào) 在圖 (b) 中 A 點(diǎn)斷 開 ， R(s)作用 下 ， 系統(tǒng)的偏差傳遞函數(shù) (見(jiàn)圖 (c)) 為 E( s ) 1 仇。200阻 z， 這使得開關(guān)電源的功率損耗更 小 ， 電源的效率也越 高 ， 基本可以達(dá)到 90%39。用高頻變壓器取 代 工 頻 變壓器可以降低重 量 ， 同時(shí)還可以大大減小體積 :而且輸出電壓紋波能夠降到 %以內(nèi)，穩(wěn)定度可達(dá) %39。由 于 這些優(yōu)良的特性，高功率開關(guān)穩(wěn)壓電源被廣泛應(yīng) 到 工 業(yè)和軍事上。在供電領(lǐng)域中，通常將整流器稱為一 次電源，而將 DC/DC 變換器稱為二次電源。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增 加。 50Hz 交流電經(jīng)全橋整流變成直流 ， IG BT 組成的 P陽(yáng)高頻變換部分將直流 電逆變成 20kHz 的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器藕合，整流濾波后成為穩(wěn)定的直流， 供電弧使用。75V，電流調(diào)節(jié)范圍 539。159kV，電流達(dá)到 以上，功率可達(dá)到 100kW。 國(guó)內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用? 橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器 升壓，最后整流為直流高壓。它的性能優(yōu)劣直接關(guān)系 到變電所的正常安全供電，進(jìn)而關(guān)系到生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。以往的可控硅整流相控電源系統(tǒng)，其備件需要 1 個(gè)同樣大小的硅整流模 青島 理 工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文〉 塊，而改用高頻開關(guān)后，只需備 139。 開關(guān)穩(wěn)壓電源發(fā)展趨勢(shì)及優(yōu)點(diǎn) (1)非隔離 DC / DC 技術(shù)迅速發(fā)展近年 來(lái) ， 非隔離 DC / DC 技術(shù)發(fā)展迅速?？刂品绞揭? PWM 為主。采用 這 種 IC制作的 100W 的 DC， DC再 加上先進(jìn)的功 率 MOSFET， 轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到 95% 。其中以 BUCK 和 BOOST 最基 本 ， 其它四種是從中派生的。 大 型電源設(shè)備組成復(fù) 雜 ， 同時(shí)又需要以模塊化方式滿 足不同的應(yīng)用需 求 ， 因此應(yīng)用數(shù)字控制 技 術(shù) 于 電源控制將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。其中 TI 推出的數(shù)字電源的 新產(chǎn)品包括 UCD9K、 UCD8K 及 UCD7K 系列輔助器件。 研究意義內(nèi)容及技術(shù)要求 隨著我國(guó)開關(guān)穩(wěn)壓電源市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生 產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研 發(fā)亦成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。 Boost升壓電路由升壓電感、續(xù)流二極管、濾波電容及全控型開關(guān)管 (增強(qiáng) 型 MOS管〉等幾部分組成。 本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求 : 電 壓 U 可調(diào)范圍 : 30V ， ...。 峰 峰值 Uopp三 lV。最 后 ， 本章說(shuō)明了本 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的以及主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和各技術(shù)指標(biāo)要求。當(dāng)可控開關(guān) V 處 于 通態(tài)時(shí) ， 電源 E 向 電感 L 充 電 ， 充 電電流基本 恒定 為 人 39。設(shè) V 處 于 通態(tài)的時(shí)間為切，此階段電感 L 上積蓄的 能量為 EIJtm。當(dāng)電 路 工 作于穩(wěn)態(tài)時(shí) ， 一個(gè)周期 T 中電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相 等 ， 即 、 (2保) 持開 關(guān) 導(dǎo) 通時(shí)間切不 變 ， 改變開關(guān)周 期 T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。在以上 的分析 中 ， 認(rèn)為 V 處 于 通態(tài)期間因電容 C 的作用使得輸出電 壓 U。 帶 隔 離 的直 流 一 直流變流電路 帶隔離的直 流 一 直流變流電路結(jié)構(gòu)如圖 所 示 ， 同直流斬波電路相比，直 青島 理 工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文〉 10 流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為 直 一 交 直電路。 (4)交流環(huán)節(jié)采用 較 高 的 工 作頻率，可以減小變壓器的濾波電 感 、 濾波電容的體積 和重量。整流電路中通常采用快恢復(fù)二極管和通態(tài)壓降較低的肖特基二極 管 ，在低壓 輸出的電路中，還采用 低 導(dǎo) 通電阻的 MOSFET 構(gòu)成同步整流電 路 ， 進(jìn)一步降低 損耗。 對(duì) DCDC 變換器輸出整流管的功耗進(jìn)行分 析 ， 設(shè) DCDC 變 換器輸出電壓 為 Vo， 電流一定 時(shí) ， 輸出整流管的壓降為 V p，己知 /= 4/ P p與 Po 分別為二極管功耗及 DCDC 變換器輸出功率。T L e 』 205。Y飛 lO + 寸 173。39。39。因 此 ， 二極管 的 平 均電流必須和負(fù)載電流 相 等 。飛n ( ) 所以 在 boost 電路中 FU 一 t飛U e:i rv39。 ③采樣電阻的選 取 :選擇具有較低的電阻溫度系 數(shù) ， 較寬的使用溫度范圍以及具 有良好的焊接性能的康銅 絲 ， 康銅絲阻值的選 擇 :單 片 機(jī) 采樣電壓值的取值范圍 在 0 ， INA282 芯片會(huì)將采樣值放大 50 倍 ， 流過(guò)的最大電流為 ，通過(guò) 如 下 計(jì)算可 得 : R= 一一一 = 。本設(shè)計(jì)采用同步整流技 術(shù) ， 用低功 耗的功率 MOSFET 代替肖特基二極 管 ， 驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用 IR2104 替代以前用的 IR2101，因 IR2104能夠輸出兩路互補(bǔ) pwm， 同時(shí)其中一路具有自 舉 升 壓電路。 D3 圖 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路 電壓電流采樣電路 電壓采樣通過(guò)兩個(gè)電阻值分別為 124k 和 lOk的電阻分 壓 ， 然后經(jīng)由喧 223。 一般來(lái) 講 ， 輸入阻抗能夠達(dá)到幾兆歐 姆 ， 輸出阻抗 低 ， 通常只有兒歐 姆 ， 甚 至更低從而起到緩沖和隔離的作用。通過(guò)采集康銅絲兩端的電 壓 ， 由 于 此 時(shí)電壓過(guò) 小 ， 需要經(jīng)過(guò)由 的 A282放大后供給單片機(jī)。 LSl ! 綠 3. 5 供電模塊設(shè)計(jì) 國(guó) 壓 過(guò)流報(bào)警電路 川 廠 + C們 4M DunuHK 選用兩片高效降壓芯片 tps5430， tps5430降壓芯片的效率能達(dá) 到 95%以 上 ， 極大的降低輔助供電模塊的功 耗 。 L3 35uH 15V R9 IK 青島 理 工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文〉 16 lA 22uH 嚴(yán)JT 5V RIO RII 圖 供電模 塊 電 路 3. 6 設(shè) 計(jì) 電路 sa be r 仿真圖形 在 saber 軟件下對(duì)電路進(jìn)行仿 真 ， 圖 (a)為仿真電路 圖 ， 圖 (b)是當(dāng)電壓 為36V 電流 是的電壓波 形 ， 圖 (c ) 是電流值為 時(shí)的波 形 ， 可以看出電壓電 流值比較穩(wěn) 定 ， 紋波 較 小 。 139。.0 (b)輸出電壓波形圖 青島 理 工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文〉 17 ? 元 ::。 0 8 ， 39。通常電容都存在寄生電和等效電 阻這 兩 個(gè) 寄生參數(shù)。 ESU魯大 (功 差 的布線方式 (b)好的布線 方 式 圖 兩種電容布線方式對(duì)比 電源 PCB 排 板 要點(diǎn)之 一 : 旁路瓷片電容的電容量不易太大，而它的寄生 串聯(lián)電 感量應(yīng)該盡量 減 小 。 236。與電感并聯(lián)的寄生電容量應(yīng) 大 ， 這樣電感的高頻特性更好?？刂苹芈分饕? 括有 PWM 控制芯片 IR210 旁路電容 器 、 反饋分壓電 阻 、 自舉電 阻 、 反饋補(bǔ) 償電路。最后詳細(xì)講述了開關(guān)穩(wěn)壓電源 PCB 排版注意要點(diǎn)以及對(duì)本設(shè)計(jì)的 pcb 布局的分析。過(guò)壓過(guò)流檢測(cè)與處 理 ， 當(dāng) AD 檢測(cè)到電壓值或電流 值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，程序輸出 PWM 的占空比置 零 ， 這時(shí) MOS 管關(guān) 斷 ， 同時(shí)將一 個(gè)管腳 至 于 高 電平，紅燈或黃 燈 亮 同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。 表 電 壓 調(diào) 整 率 測(cè)試 輸入電壓 (v) 輸出電壓 (V) 電壓調(diào)整率 為 : ()/*100%=%。在對(duì)軟件的調(diào)試過(guò)程 中 ， 不 斷的對(duì)參數(shù)進(jìn)行更 改 ， 讓我對(duì) PID 的調(diào)節(jié)原理理解的更加透徹。 由 于 開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響到電源的正 常 工 作以及 系統(tǒng)的穩(wěn)定 性 ， 所以一個(gè)好的 PCB排版是必不可少的。 青島 理 工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文〉 26 青島 理 工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文〉 27 參考文獻(xiàn) [1]王兆安 、 劉進(jìn)軍《電力 電 子 技術(shù)》第 5 版北 京 :機(jī) 械 工 業(yè) 出版社 ， 2021 [2]王水 平 、 付敏江《開關(guān)穩(wěn)壓電源原理設(shè)計(jì)與使用原理》西 安 : 西安 電 子 科技 大學(xué)出版 社 ， 1997 [3]童詩(shī) 白 、 華成英《模擬 電 子 技術(shù)基礎(chǔ)》北 京 : 高等教育出版 社 ， 1998 [4]SanjayaManik兇 a 精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》北 京 :人 民郵電出版 社 ， 2021 [5] H. ， and E. 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