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正文內(nèi)容

基于51單片機開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

2024-10-02 15:46 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ELC U O R L VD基于 51 單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 6 控制方法及實現(xiàn)方案 主電路確定之后,為了配合主電路完成整個運行,需要控制電路進行輔助,這樣系統(tǒng)才能正常工作。因此,還需要選擇一個合理的控制方案。 方案一: 利用 PWM 專用芯片產(chǎn)生 PWM 控制信號。這種辦法容易實現(xiàn), 工作也比較穩(wěn)定,但不容易實現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進調(diào)整,很難實現(xiàn)設(shè)計中的這一要求。 方案二:利用單片機產(chǎn)生 PWM 控制信號,通過輸入程序來輸出 PWM,單片機根據(jù)反饋信號對 PWM 信號做出相應(yīng)調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出,用按鍵來調(diào)節(jié)占空比,實現(xiàn)輸出 30V36V 可調(diào)。這種方案實現(xiàn)起來較為靈活,可以通 過調(diào)試來達到自己所需的要求,此設(shè)計理所當(dāng)然對本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。但是系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜,需要設(shè)計人員的耐心調(diào)試。 因此,方案二更容易實現(xiàn)題目的要求,選擇方案二作為設(shè)計的控制電路。 系統(tǒng)的總體框圖 根據(jù)以上方案的選擇,已經(jīng)完成了系統(tǒng)的主體框架,能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的基本運行。為了能夠進行穩(wěn)定運行,還需要加入一些保護電路,保護電路可以使設(shè)計運行更可靠,系統(tǒng)更安全。此外,通過單片機的控制加入顯示電路,隨時觀察輸出電壓電 流,通過按鍵有效地控制電壓電流的大小。整理得出系統(tǒng)的總體框圖如 23所示 。 ELC UO R L VD 圖 23 系統(tǒng)總體框圖 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 7 系統(tǒng)的總體要求 系統(tǒng)的總體方案已經(jīng)確定,能夠完整的做出成品,但設(shè)計的最終目的是在實際生活中應(yīng)用,而效率的高低則取決于該設(shè)計的價值。因此,我們需要提高效率來實現(xiàn)系統(tǒng)的最大利用化。 提高電源的整體效率跟主電路、單片機系統(tǒng)、保護電路和顯示電路中各部分器件的選擇有很大的關(guān)系。因此控制及顯示單元電路應(yīng)該使用一款低功耗的 51 單片機。主開關(guān)管應(yīng)該選擇效率高、開關(guān)速度快、損耗小的 MOS 場效應(yīng)管。肖特基二極管應(yīng)該選擇恢復(fù)速度快 、損耗低的作為輸出端的整流 /升壓二極管。 根據(jù)以上可以提高效率的方法綜合出包括以下四個方面的方案: 1) 放棄使用常規(guī)的高功耗的 80C51 單片機,取而代之的是與之兼容的超低功耗、超低價、具有高速轉(zhuǎn)換器的增強版 51 單片機,這種單片機不需要外部晶振和外部復(fù)位電路,制作簡單方便,是一款值得使用的單片機。 2) Boost 升壓斬波電路中開關(guān)管的選?。弘娏w管( GTR)耐壓高、電流大、工作頻率較低、開關(guān)損耗大;電力場效應(yīng)管( Power MOSFET)具有驅(qū)動電路簡單、需要的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、負載電流大等特點。而且電力場效 應(yīng)管的熱穩(wěn)定性優(yōu)于電力晶體管。從工作頻率和降低損耗的角度考慮,選擇電力場效應(yīng)管作為開關(guān)管。 3) 選擇合適的開關(guān)工作頻率:為降低開關(guān)損耗,應(yīng)盡量降低工作頻率;為避免產(chǎn)生噪聲,工作頻率不應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后,我們把開關(guān)頻率設(shè)定為 20kHz。 4) Boost 升壓電路中二極管的選?。洪_關(guān)電源對于二極管的開關(guān)速度要求較高,可從快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管中加以選擇。與快速恢復(fù)二極管相比,肖特基二極管開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比較小,但反向耐壓較低,多用于低壓場合。考慮到降低損耗和低壓應(yīng)用的實際,選擇肖特基二極管 , 可有效降低 開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率。 本章小結(jié) 本章通過對比選擇合適的主電路和控制電路,為了能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運行,加入必要的保護電路,整理方案畫出系統(tǒng)的整體框圖。電子設(shè)備的應(yīng)用需要可靠穩(wěn)定的電源供電,需要提高效率來使電源達到最大利用化,因此,文中對提高效率做出了詳細的介紹。 基于 51 單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 8 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 9 3 硬件設(shè)計 主電路的設(shè)計與計算 主回路中包括整流電路,濾波電路及 BOOST 電路,這些模塊中所需器件的選擇如下。 整流的選擇:隔離變壓器輸出 的交流為 15V 的電壓,整流橋的電流最大可達到 5~ 6A,為了能夠得到較好的直流量,所以選擇單相橋式全控整流電路,整流橋的耐壓應(yīng)為 50V 以上,正向電流大于等于 8A,實際電路中采用 10A/600V 整流橋。 濾波電容器選擇:要求輸出的最大電流為 2A,最大電壓為 36V,按照電路效率為 80%計算: 輸出最大功率為: Pm=UO*Io=36V*2A=72W 整個電路輸入的功率: Pin= Pm/=72W/=90W 所以輸出最大功率為 72W,整個電路輸入的功率約為 90W。電路自身功率達18W,根據(jù) P=U2/R,可求 得整流濾波電路的等效負載電阻 R≈6 歐姆,濾波電路的基波周期 10mS,按一般要求,濾波電路的時間常數(shù) τ= CR= 30mS~ 50mS,所以,濾波電容 C 選用 4700181。F。 開關(guān)管的選擇:功率 MOSFET 具有負載電流大,導(dǎo)通電阻低的優(yōu)點。選擇合適的 MOS 管,柵極驅(qū)動器的負載能力必須足夠大,以確保在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對柵極等效電容( CEI)的充放電。流經(jīng) MOS 管的電流理論平均值:ID=TOFF*IO/T=IO *VO / Vi≈5A。所以, MOSFET 應(yīng)選用平均電流大于 10A、電壓大于 50V 的管子,實際選用 IRF540N, IF=28A、 VR=100V、 PD=150W、 RDS(ON)=。 升壓二極管的選擇:二極管要采用正向電壓降低,反向恢復(fù)時間短的二極管,所以選用反向恢復(fù)時間為 60us 以下、反向耐壓為 45V 以上的肖特基二極管。它是一種低功耗、超高速 半導(dǎo)體 器件,可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率。實際電路中選用 MBR1545: IF=15A、 VR=45V。 電感值的計 算: LB=UIN^2(UOUIN)/(mIOfUO^2) 其中, m 是脈動電流與平均電流之比取為 ,開關(guān)頻率 f=20 kHz,輸出電壓為 36V 時, LB=,取 370μH。 電感線徑的計算:最大電流 IL 為 ,電流密度 J 取 4 A/mm2,線徑為 d,則由 J*π(d/2)^2=IL 得 d= mm,工作頻率為 20kHz,需考慮趨膚效應(yīng),制作中采取多線并繞方式,既不過流使用,又避免了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致漆包線有效面積的減小。 電容的參數(shù)計算 : CB=IO(UOUIN)/(UO△ U/T) 基于 51 單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 10 其中, ΔUO為負載電壓變化量,取 20 mV,f=20kHz,UO=36V 時 ,CB=,取為 3000μF,實際電路中用多只電容并聯(lián)實現(xiàn),減小電容的串聯(lián)等效電阻( ESR),起 到減小輸出電壓紋波的作用, 更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓 ]5[ 。 電路中 R R C3 及單片機中的 ADC 為采樣電路。 以上器件的選擇確定了 主電路,原理圖如 31 所示。 圖 31 BOOST 斬波主電路圖 控制電路的分析與計算 控制電路的核心就是 51 單片機,選擇 一個合適的單片機是實現(xiàn)控制電路的關(guān)鍵。 單片機的選擇: 單片機根據(jù)電壓的設(shè)定值和電壓反饋信號調(diào)整 PWM 控制信號的占空比,實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出,同時,單片機與采樣電路相結(jié)合,將為系統(tǒng)提供各種保護措施,并實現(xiàn)輸出電壓、輸出電流的測量和顯示。 PWM 信號占空比 D≈1UIN/UO 當(dāng) U2=12V, UO=36V 時, UIN=*U22V=, 最大值 DMAX=; 當(dāng) U2=18V, UO=30V 時, UIN=*U22V=,最小值 DMIN= 系統(tǒng)對于單片機 A/D 采樣精 度有較高的要求,欲達到這一精度, A/D 精度要達到 1/500,即至少為 9 位 A/D,經(jīng)過全面考慮,決定采用高性能、低功耗的單片機 STC15F2K60S2。該單片機采用 STC 第八代加密技術(shù),是新一代 8051 單片機,增強型的 8051CPU 的運行速度比普通 8051 快 8 到 12 倍。它不需要外部晶振,內(nèi)部集成高精度 R/C 時鐘,也不需要復(fù)位電路,內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路。 擁有 8路高速的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器,而且內(nèi)部有低功耗掉電喚醒專用定時器 。 而且該單片機在系統(tǒng)可仿真、可編程,無需專用編程器、仿真器,可遠程升級。 此單片機 具有超低功 耗,超低價,高速,可靠,超強抗靜電,抗干擾等多個優(yōu)點 ,功能十分強大,完全 符合該設(shè)計的要求,因此選擇此單片機作為設(shè)計的主控制器 ]6[ 。 引腳圖如 32 所示。 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 11 圖 32 單片機引腳 的設(shè)計 在電子設(shè)備 的設(shè)計中,不僅要達到所需的要求,還要保 證產(chǎn)品能夠穩(wěn)定的工作。一個完整的設(shè)計就是考慮各方面的因素,讓電子設(shè)備 更加實用。因此,需在系統(tǒng)中加入保護電路。 本設(shè)計主要采用了過流保護和電壓保護 ]7[ 。電流比較大,加入過流保護以 免線路燒壞影響工作,電壓通過單片機反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出,保護電壓。這些保護為系統(tǒng)的可靠運行提供了有利保障。 在輸出濾波處串聯(lián)一個電流采樣電阻,其實選用的材料就是溫漂小的康銅絲。保證過流故障后電路的正常運行。電流信號在放大后反饋給單片機經(jīng)過 A/D 采樣。過流故障解除后,電路的一切運行將恢復(fù)正常。 輸出濾波如圖 33。 10mHL2Inductor470uFC?104CBHC? 銅康絲Rtext2輸出濾波Uo+Uo+2GND Uo 圖 33 輸出過流保護電路 逐波過流保護 :由于此電源設(shè)計要求電流較高,因此需要過流保護來使系統(tǒng)穩(wěn)定工作 ,如圖 34 所示。 此過流保護是在開關(guān)每個開斷周期內(nèi)都會對電流進行檢測,檢測到過流時便強行 關(guān)斷,防止開關(guān)場效應(yīng)管被燒壞。逐波過流保護如下圖( a)。由于考慮到場效應(yīng)管開通時會產(chǎn)生尖峰電流,可能會是逐波過流保護發(fā)生誤動作,因此加入逐波防鎖電路,如下圖( b) ]8[ 。 基于 51 單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 12 +12VGND20KRup+12VTEST47KRjz1Rjz2GNDSDCjz84567LM393BGND104C393+12V+12V200Rzb103CzbQ2IRF1405PWM TESTGND GND(a) (b)+12VGND20KRup+12VTEST47KRjz1Rjz2GNDSDCjz84567LM393BGND104C393+12V+12V200Rzb103CzbQ2IRF1405PWM TESTGND GND(a) (b) 圖 34 逐波過流保護 顯示電路的設(shè)計 本設(shè)計主要是實現(xiàn)穩(wěn)定升壓的效果,為了能夠更清楚的觀看輸出電壓電流的變化,在此加入顯示電路,更好的調(diào)試系統(tǒng),完成硬件設(shè)計。 本系統(tǒng)是通過按鍵調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)電壓可調(diào)。首先應(yīng)用軟件編程輸入 51 單片機,單片機的兩個接口 和 直接與 按鍵連接,這樣就可以實現(xiàn)數(shù)字設(shè)定,連線簡單、方便,同時減少了外圍電路,從而有助于整體電路效率與可靠性的提高。 顯示電路采用 1602 顯示器,它是一種顯示數(shù)字、字母、符號的點陣型液晶模塊,它可以顯示兩行,在此設(shè)計中兩行分別顯示電壓和電流,便宜簡潔,但 LCD不能顯示漢字,可以用英文表示,高端大氣上檔次,全面顯示所需數(shù)據(jù) ]9[ 。 顯示電路如圖 35 所示。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG
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