【文章內(nèi)容簡介】 小于輸入電壓 Ui： UiUo ?? ， Tton/?? 。 Uo 為輸出電壓 ， Ui 為輸入電壓， T 為開關(guān)管的導(dǎo)通周期 ， Ton 為開關(guān)管一周期的導(dǎo)通時間。 圖 Buck 變換電路 工作原理： 當(dāng) VT 導(dǎo)通時，輸入電源 經(jīng) 過 L 平波和 C 濾波后向負(fù)載提電 ；當(dāng)VT 斷 開 后， L 通 過二極管 來 續(xù)流， 使負(fù)載端的電流不斷開， 保持電流連續(xù)。 特點：輸出電流是脈動的，只能用于降壓， 一般輸入端 需要一個濾波器 ， 適用于大電流、中功率 配置 。 BuckBoost 變換器 BuckBoost 變換器，如圖 所示 ， 也稱升降壓變換器 。 輸入 電壓極性與 輸出電壓極性相反，可升壓 ， 可降壓 。 輸出電壓 Uo 和 輸入電壓 Ui 的 數(shù)量關(guān)系為：)1/( ?? ??? UiUo ， Tton/?? 。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第二章 開關(guān)電源的工作原理及電路拓?fù)? 5 圖 BuckBoost 變換電路 工作原理：在 VT 導(dǎo)通時，電流 經(jīng) 過電感 L， L 儲存 電能 。 當(dāng) VT 斷 開 時，電感向電容充電，同時向負(fù)載 端 放電。 特點：由于來自電壓源的電流及經(jīng)過二極管送到輸出部分的電流 均 是脈動的，所以 很難 控制其傳導(dǎo)的電磁干擾（包括各種開關(guān)瞬 間 變 化 ），一般用于幾 A 的功率電源。 Cuk 變換器 Cuk 變換器， 所 示， 也稱串聯(lián)變換器 。 輸入 電壓極性與 輸出電壓極性相反，即 可升壓 ，又 可降壓，輸出電壓 Uo 和 輸入電壓 Ui 的 數(shù)量關(guān)系為：)1/( ?? ??? UiUo ， Tton/?? 。 圖 Cuk 變換電路 工作原理：在 VT 導(dǎo)通時，二極管 VD 反偏截止， 此 時電感 L1 儲 存電 能； C1的放電電流使 L2 儲能，并向負(fù)載 提 供電 流 。在 VT 斷 開 時， VD 正偏導(dǎo)通，這時輸入電源和 L1 向 C1 充電；同時 L2 的釋 放 能 量的 電流將維持負(fù)載 端的 電流。 特點：電路 相對來說比較 復(fù)雜，但 是 紋波 的情況 得到改善，可用于高達(dá) kW級甚至更高功率。 降壓型 DC/DC 開關(guān)電源工 作原理 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第二章 開關(guān)電源的工作原理及電路拓?fù)? 6 DC/DC轉(zhuǎn)換是 將一 個 直流電壓變換成另一 個穩(wěn)定 的 或者 可調(diào) 的穩(wěn)定 直流電壓的過程，完成這一 轉(zhuǎn)換過程 的電路稱為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入與輸出電路 之間的關(guān)系， DC/DC 轉(zhuǎn)換器 可以分成兩種： 非隔離式 與 隔離式。降壓型 DC/DC 開關(guān)電源 是 非隔離式的。利用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)固定電壓輸出，但是不能實現(xiàn)可調(diào)電壓輸出。 想 要輸出 電壓可調(diào) ， 需要 利用降壓斬波電路 ，把 較高的直流電壓變 成 較低的直流電壓。 Buck 降壓斬波電路可以實現(xiàn)這一功能，通過調(diào)節(jié)控制脈沖可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓，降壓式 DC/DC 變換器基本工作原理電路如圖 所示。 圖 降壓式 DC/DC 變換器基本工作原理電路 其中， VT 為開關(guān) 管 ，控制電路決定 著 它的導(dǎo)通 或者 關(guān)斷； 電感 L 和 電容 C為濾波元件。當(dāng) VT 導(dǎo)通時，輸入電壓 Ui 通過電感 L 向負(fù)載 R 提 供電 流 ， 同時輸入電壓 也 在 向電容 C 充電。 此 過程中， C 及 L 中儲存能量。 VT 斷開 時， L 中的電能 繼續(xù)向 負(fù)載 R 提 供電 流 ，當(dāng)輸出電壓 Uo 要 減小 時， C 中的能量也向 R 提供電 流 ， 由此來 維持輸出電壓不變。二極管 VD 為續(xù)流二極管，以便構(gòu)成電路回路。輸出電壓 被 R1 和 R2 分壓， 同時把 輸出電壓的信號反饋 到 控制電路，由控制電路控制 改變 VT 的 占空比 ， 由此實現(xiàn)輸出穩(wěn)定的 輸出電 壓 。為了 讓 負(fù)載電流連續(xù) 不斷開并 且 讓 脈動小 一些 ， 一般 串聯(lián) L 相對 較大的電感。 等到 一個周期 T 完結(jié) ，再控制 VT 導(dǎo)通， 循環(huán) 上一周期 T 的 過程。當(dāng)電路 運行處 于穩(wěn) 定狀 態(tài)時， 一個周期內(nèi)的 負(fù)載電流 的初 值 等于 終值。負(fù)載電壓平均值 : ioni UTTUU ??? ? ?/0 (21) 式 21 中 onT 為 VT 處于導(dǎo)通的時間 ， T 為開關(guān)管控制信號的周期 ， Uo 為輸出電壓，南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第二章 開關(guān)電源的工作原理及電路拓?fù)? 7 Ui 為輸入電壓。 α為 控制信號的占空比。該式可以看出， α最大為 1，減小 α， Uo總是 小 于 Ui， 所以， 稱 之 為降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為： RUI /00? (22) 圖 負(fù)載電流斷流時波形 如果 負(fù)載中 的 電感值 比 較小，則 開關(guān) 管斷 開 后， 負(fù)載電流會在一個周期內(nèi) 出現(xiàn)斷 流 的情況 ， 因此降壓 型 DC/DC 開關(guān)電源有 兩種工作模式，分別是 非連續(xù)電流模式（ DCM） 與 連續(xù)電流模式（ CCM)，波形圖如圖 與圖 所示。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第二章 開關(guān)電源的工作原理及電路拓?fù)? 8 圖 負(fù)載電流連續(xù)時波形 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 方案設(shè)計及 硬件選型 9 第三章 方案設(shè)計及硬件選型 設(shè)計要求 研究開關(guān)電源的工作原理，基于模擬電路或單片機技術(shù)實現(xiàn)一款 20V 輸出DCDC 型開關(guān)電源，要求設(shè)計出電路方案，利用仿真平臺驗證方案的可行性，并制作實物樣機。 功能需求： DCDC 開關(guān)電源輸出電壓 20V，并數(shù)碼顯示輸出電壓。 性能參數(shù)： 開關(guān)電源最大輸出功率不小于 10W。 利用數(shù)碼管或液晶屏顯示輸 出電壓。 輸出電壓紋波不大于 100mv。 整體設(shè)計方案 由 220V 交流電壓經(jīng) 變壓器和 整流濾波后得到直流的輸入電壓 24V；將輸入電壓 輸入 Buck降壓 電路， 由 控制電路提供 PWM控制信號控制 開關(guān) 管 的導(dǎo)通與截止 ，用來 調(diào)節(jié)直流電壓的占空比， 最后得到穩(wěn)定或者可調(diào)的直流輸出電壓 。輸出電壓范圍為： 0V 至 20V 直流電壓。 圖 整體設(shè)計框圖 通過對輸出電壓的采樣，比較和放大，來調(diào)節(jié)脈沖的寬度，最后達(dá)到輸出穩(wěn)定的直流電壓的目的。同時采用 A/D 轉(zhuǎn)換器將輸出電壓送 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 方案設(shè)計及 硬件選型 10 LM358 LM358 簡介 LM358 是雙運算放大器。 LM358 內(nèi)部有兩個獨立的 ， 內(nèi)部頻率補償 ， 高增益的雙運算放大器，電壓范圍 比較 寬的單電源 比較適合 使用， 亦或是 雙電源 。 在 正常 的工作條件下，電源電流與電源電壓 沒有聯(lián)系 。它的使用范圍 有 :音頻放大器 ，直流增益模組 ， 傳感放大器 ， DC 增益部件 ， 工業(yè)控制和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 圖 塑封引腳圖引腳功能 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 方案設(shè)計及 硬件選型 11 圖 內(nèi)部電路原理圖 IR2103 IR2103 簡介 半橋驅(qū)動器 IR2103 是高電壓，高速功率 MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動與依賴的高和低側(cè)參考輸出通道。專 門 的 HVIC 和 無影響鎖存 CMOS 技術(shù) 確保了單塊集成電路結(jié)構(gòu)的耐用 。邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸出或輸入通道兼容，下降到 邏輯。輸出驅(qū)動器具有高脈沖電流緩沖級設(shè)計的最小驅(qū)動器交叉?zhèn)鲗?dǎo)。 懸浮 通道可以驅(qū)動高側(cè)的配置高達(dá) 600V 的功率 MOSFET 或者 IGBT。 圖 典型連接 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 方案設(shè)計及 硬件選型 特點：交叉?zhèn)鲗?dǎo)預(yù)防邏輯 ， 柵極驅(qū)動電壓范圍 為 到 ， ， 和 的邏輯兼容 ， + 的負(fù)瞬態(tài)電壓 DV/dt 免 疫 ， 匹配的兩個通道的傳播延遲 ， 內(nèi)部設(shè)置死區(qū)時間 ， 相高側(cè)輸出顯 HIN input， 低端相輸出 OUT 與 LIN 輸入。 IR2103(S)功能框圖 功能框圖 IR2103 引腳圖 IR2103 引腳圖 STC12C5A60S2 單片機介紹 STC12C5A60S2 單片機簡介 在 許多 的 51 系列 單片機 中，要算國內(nèi) STC 公司的 1T 增強系列 最 具有競爭力，和 傳統(tǒng) 8051 指令、管腳完全兼容，而且 STC 單片機 允許編寫 串口程序 ， STC 單片機 對 于 開發(fā) 的 設(shè)備 基本沒什么 要求，開發(fā) 的 時間 也不需要太多 。寫入單片機 里面 的程序 還會有 加密 保護(hù) ， 讓開發(fā)人員不用擔(dān)心勞動成果被竊取。 STC12C5A60S2 屬于 8051 系列單片機，與普通 的 51 單片機 對 比有以下 幾個南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 方案設(shè)計及硬件選型 13 特點： 有 WATCH_DOG。 有 8 路 10 位 AD。 有 PWM 控制 功能 ，比普通的 51 單片機 多兩個定時器 。 有 EEPROM。 有 SPI 接口 。 相比 51 單片機 有 1K 的 內(nèi)擴(kuò) RAM。 同樣晶振的情況下，速度是普通 51 單片機 的 8~12 倍 。 多一個串口 。 IO 口可以定義，有四種狀態(tài) 。 中斷優(yōu)先級有四種狀態(tài)可定義 。 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC12C5A60S2 單片機中 有 SPI 接口 ， 片內(nèi) R/C 振蕩器 ， 看門狗 ， 定時器 ，UART 串口 ， 外部晶體振蕩電路 ， 串口 2， I/O 接口 ， 高速 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 程序存儲器(Flash) ， PWM/PCA ， 數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM) 及 中 央 處理 器 (CPU) 等模塊。STC12C5A60S2 單片機幾乎 包括 了數(shù)據(jù)采集和控制中 需要用到 的所有模塊，可 以看做 一個片上 小 系統(tǒng)。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 方案設(shè)計及硬件選型 14 圖 2STC12C5A60S2 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖 管腳圖 STC12C5A60S2 單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)： STC12C5A60S2的 A/D轉(zhuǎn)換口在 P1口 ()，有 8路 10位南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章 方案設(shè)計及硬件選型 15 高速 A/D轉(zhuǎn)換器 ， 速度可 以 達(dá)到 250KHz。 8路電壓輸入型 A/D，可做頻譜檢測 ， 電池電壓檢測 ， 按鍵掃描 ， 溫度檢測等。上電復(fù)位后 ， 弱上拉型 I/O口 為 P1口 ， 如若要 將 8路中 的 一路設(shè)為 A/D轉(zhuǎn)換，可 使用 軟件設(shè)置 ，而其他剩余 的口可繼續(xù) 用作 I/O口。 圖 STC12C5A60S2單片機 ADC的結(jié)構(gòu)圖 STC12C5A60S2單片機 ADC內(nèi)部存在多個單元，包括 比較器 ， 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 ，多 路選擇開關(guān) ， 10位 DAC和 逐次比較寄存器 所 構(gòu)成 的 。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第四章 系統(tǒng)電路設(shè)計 第四章 系統(tǒng)電路設(shè)計 整流濾波電路 圖 整流濾波電路圖 220V 交流電壓 通過電源變壓器 變?yōu)?24V 交流電壓。 24V 交流電壓 經(jīng)過整流濾波電路轉(zhuǎn)換成 24V 直流電壓。 最終 220V 的交流輸入電壓變?yōu)?24V 直流輸入電壓進(jìn)入 DCDC 轉(zhuǎn)換電路中。 BUCK 主原理電路 圖 BUCK 原理電路圖 BUCK 電路圖如圖 所示， C13 為輸入濾波電容， TV1 為開關(guān) MOS 管， VD1為續(xù)流二極管， L1 為電感， C15 為輸出濾波電容， R22 、 R21 為輸出電壓的采樣電阻， R23 為輸出電流采樣電阻，該電路圖是通過 PWM 波控制 T