【文章內(nèi)容簡介】 關(guān)管8 9 C 5 2濾波電路A D C 0 8 0 4采樣電路輸出圖 開關(guān)電源原理框圖按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關(guān)電源與線性電源兩大類。線性電源是發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。 開關(guān)電源與線性電源的比較 線性電源的缺點（1）功耗大，效率低，效率一般只有 35%45%；（2）體積大、重量大，不能小型化；（3）必須有較大容量的濾波電容。造成這些缺點的原因是：（1）線性電源中功率晶體管 V 在整個工作過程中，一直工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成正比。這樣功率晶體管的功耗就會隨電源的輸出功率的增加而增大。為了保證功率晶體管能正常工作，除選用功率大的管子外，還必須給管子加上較大的散熱片。 （2）線性電源使用了 50 赫茲的工頻變壓器，他的效率只有 80%90%。這樣不但增加了電源的體積和重廣西工學院畢業(yè)設(shè)計專用紙7量，而且也大大降低了電源的效率，就必須增大濾波電容的容量。 開關(guān)電源的優(yōu)點（1）功耗小，效率高。圖 中，開關(guān)管 V 在脈沖信號的控制下，交替工作在導通截止和截止導通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在 50 到 200 千赫茲。這就使得功率開關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達到 80%以上。（2）體積小，重量輕。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關(guān)管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關(guān)電源的體積和重量都可以得到減小。（3）穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進行補償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負載有較大變化時，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓效果好。（4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。例如，若開關(guān)電源的工作頻率為 25 千赫茲，是線性穩(wěn)壓電源頻率 500 倍（25000/50 赫茲） ，這使濾波電容的容量可以相應(yīng)的縮小 500 倍，這使濾波電路中元件的體積和重量得以減少，同時也節(jié)省了成本。 系統(tǒng)方案論證開關(guān)電源具有較快的發(fā)展，從而產(chǎn)生了不同的設(shè)計思路。開關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，本設(shè)計通過對不同的方案的對比得出了最佳方案的設(shè)計。圖 開關(guān)電源的一般框圖單片機控制的開關(guān)電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。廣西工學院畢業(yè)設(shè)計專用紙8 方案 1主回路采用非隔離推挽式拓撲結(jié)構(gòu)（如圖 所示） ，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，且輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故。 +VinPWMVout圖 非隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 方案 2主回路采用隔離推挽式拓撲結(jié)構(gòu)（如圖 所示） ，輸入與輸出電氣不相連，通過開關(guān)變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實驗室使用。本設(shè)計采用方案二。 +Vout+圖 隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 方案 3方案 3：單片機擴展 A/D 轉(zhuǎn)換器，不斷檢測輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤預置電壓的差值，輸出一個 PWM 脈沖，直接控制電源的工作。 方案分析方案 1 分析：采用脈沖頻率調(diào)制 FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特點是固定脈沖寬度，利用改變開關(guān)頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。方案 2 分析：采用脈沖寬度調(diào)制 PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定開關(guān)的頻率，通過改變脈沖寬度改變占空比控制型效率高并具有良好的廣西工學院畢業(yè)設(shè)計專用紙9輸出電壓和噪聲。基于上述考濾及題目的具體要求，本設(shè)計選用 PWM 調(diào)制方式。方案 3 分析：這個方案，單片機不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制核心，單片機得以充分利用，而且省去了 D/A 芯片，成本大大降低，是真正的單片機控制。綜上所述，本設(shè)計選擇第三種控制方案，單片機使用 89C52，A/D 芯片采用ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤預置電壓，設(shè)計任務(wù)要求輸出可調(diào)，所以設(shè)定值需要從鍵盤輸入，實現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電壓。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)工作原理圖如圖 所示：市電經(jīng)過整流濾波后，一路電壓經(jīng)過 7805 穩(wěn)壓得到一個+5v 電壓，該電壓作為單片機的工作電源，另外一路電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓。單片機根據(jù)鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用 PID 算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲能元件，在功率開關(guān)管導通時，電感儲能，在開關(guān)管截止時，電感釋放能量給負載。單片機定時采樣輸出端的電壓，通過 ADC0809 送進單片機進行處理，單片機根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片機會根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應(yīng)電壓，更新脈寬后，單片機會馬上調(diào)用 PID 控制算法，對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時，電源自動進行脈寬調(diào)制，當系統(tǒng)讀取到鍵盤預置的電壓變化時，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設(shè)當前鍵盤輸入為 10v，從輸出端取樣的值為6v，差值為 4v，則系統(tǒng)會根據(jù)這個差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為 10v；同樣，當鍵盤輸入為 6v，輸出端取樣值為 10v，差值為4v，系統(tǒng)會根據(jù)算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程。同時，電源可以自動穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為 V0，反饋電壓問Vf（Vf=V0） ，用戶設(shè)定電壓為 Vs，當 V0=Vs 時，偏差為 0，單片機不進行脈寬更新，當電網(wǎng)波動導致輸出增加時，即 V0Vs 時,單片機采樣的電壓也增加，單片機根據(jù)偏差修改占空比使導通時間變小，從而使電壓下降，同樣當電網(wǎng)波動使輸出電壓下降時，即 V0Vs 時，單片機修改脈寬使導通時間變長，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來進行穩(wěn)壓。廣西工學院畢業(yè)設(shè)計專用紙10整流濾波電路 開關(guān)變換電路 整流濾波電路單片機控制電路輔助電源LCD 顯示ADC0809 取樣電路鍵盤預置圖 單片機控制開關(guān)電源系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)難點分析 如何提高電源工作頻率困難分析：現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以達到 300 千赫茲，本次設(shè)計雖然采用了 24M 赫茲的晶振頻率，可以通過單片機定時輸出 40 千赫茲的頻率，但是開關(guān)電源要求的是單片機的處理速度要足夠快，51 系列的單片機，即使使用 24M 的晶振，相對于開關(guān)電源需要很快開關(guān)工作頻率，它的速度仍是比較慢的，而且這里單片機還需要做采樣電壓，掃描鍵盤，PID 控制等等很多的工作，那么單片機就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機可以通過定時器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲的頻率，但是定時器中斷產(chǎn)生的脈沖的有效電平，即占空比是不能夠改變的，只能是 50%，要設(shè)計輸出可調(diào)的開關(guān)電源，顯然行不通。解決辦法：現(xiàn)在的問題在于單片機輸出的脈沖占空比無法改變，硬件更改，只能是更換處理速度高的單片機，但是成本又增加了，而且還不一定比使用專門的 PWM 控制芯片的控制性能可靠，所以在此選擇在軟件上解決，具體思路為：首先定義兩個變量，一個周期 T，一個占空比 D，給它們賦值，T 大于 D，先讓單片機 I/O 輸出高電平，讓 T，D 同時計數(shù)，當 D 計算到預計值，I/O 口為低電平，然后低電平一直延續(xù)到 T 值時，I/O 口輸出高電平。改變 D，T 的值可以改變脈沖頻率，改變 D 值可以控制占空比。算法需要廣西工學院畢業(yè)設(shè)計專用紙11使用定時器，根據(jù)電源的工作頻率設(shè)定定時時間。算法為：D=100，T=1000；//定義變量，并賦值，占空比為 100/1000=10%VOID tim0 ()//定時中斷{=1。// 輸出高電平D++。//同時計數(shù) T++。 If（D==100）{=0；}//D 到預計值，輸出低電平 If （T==1000）{=1；//T 到預計值，輸出高電平D=0；T=0；//清零}只要單片機時鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。 儲能電感的繞制使用儲能電感目的在于，在功率開關(guān)管截止時，為負載存儲能量，電氣上的作用是把開關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。本次設(shè)計儲能電感的磁體要求為工作頻率為 100千赫茲，直流電阻小于 歐姆，飽和電流大于 2A。需要自己繞制，所需最小電感值可以由公式計算 式中 為估計最大輸入電壓下，開關(guān)管導通時間，)ax(inIoutTVL??on根據(jù)設(shè)計前輩們的經(jīng)驗，估計為開關(guān)周期的 30%是比較合適的。代入數(shù)據(jù)求得 ，?uL10?電感的設(shè)計方法為 其中 為加入氣隙的高磁導率材料鐵心電感的截Aewpe面積， 為電感窗口截面積， ， ，其中 I 為電感電流有效值，AwNBmIKcjIA為j導線的電流密度， 為繞組填充因數(shù)， （0 ） 。 ， 為鐵心中的Kc1?cBmcjILp??磁通密度。計算出 值，對照鐵心產(chǎn)品手冊，選擇大于 值的產(chǎn)品，即可查得對應(yīng)ApA的鐵心截面積，由式 確定繞組匝數(shù)。BmeLNI?廣西工學院畢業(yè)設(shè)計專用紙12 標度轉(zhuǎn)換技術(shù)本次設(shè)計使用了 ADC0809，這種芯片只能采樣 0 到 5V 的電壓，所采集回來的電壓對應(yīng)的是 0 到 255 的數(shù)字量，而用戶從鍵盤輸入的是電壓值，為了進行比較，需要經(jīng)過標度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以得到同樣的單位量綱?？刂葡到y(tǒng)檢測的被控對象的參數(shù)有著不同的量綱和數(shù)值。所有這些參數(shù)都需要通過變送器轉(zhuǎn)換為電信號，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器或者 V/F 變換器轉(zhuǎn)換為計算機所能處理的數(shù)字量。由于不同參數(shù)的變化范圍和量綱是不同的，因此同樣的數(shù)字量表示的模擬量可能是不同的。如同樣是數(shù)字量 255，可能表示的是 5V 的直流電壓，也可以表示其他的量；即使是相同的量綱，如果變化范圍不同，相同的數(shù)字量表示的模擬量也是不同的，數(shù)字 0 所以控制系統(tǒng)在進行顯示、打印、記錄和報警等操作時，必須把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的不同量綱的物理量。這就是標度變換技術(shù)。本次設(shè)計的標度轉(zhuǎn)換為：鍵盤輸入為：0 到 12V；采樣 0 到 5V 電壓對應(yīng)數(shù)字量為 0 到 255 變換程序：r=input*255/12。//input 為鍵盤輸入值,r 為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量就是說使預置的 0 到 12v 的轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，這樣單片機系統(tǒng)才能夠進行正確的比較處理。 開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇 開關(guān)電源的核心是高頻開關(guān)變換電路和脈沖控制電路。高頻變換電路把直流輸入變換成高頻脈沖輸出。輸出電壓平均值 ,控制電路根據(jù)反饋電)/(TofnVo???Vi壓控制高頻開關(guān)管的導通時間（ ）與截止時間（ ） ，達到控制輸出電壓目的。Tn隔離電路采用高頻變換器件和高頻隔離變壓器。開關(guān)電源的四中組態(tài)為：（1）Buck 變換器；（2）Boost 變換器；（3）BuckBoost 變換器；（4）CUK 變換器。 降壓變換電路分析這種開關(guān)型電源是直流供電，經(jīng)過開關(guān)電路得到單方向方波，再經(jīng)過濾波后又得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流。它們的輸出電壓總是比輸入電壓低。當開關(guān)管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。當開關(guān)元件被控制截止時，由于電感上的電流不能跳變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負載，此時，續(xù)流二極管正向?qū)ǎ瑯?gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。電路中開關(guān)管和負載廣西工學院畢業(yè)設(shè)計專用紙13電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開關(guān)電源。D 31 N 5 8 1 7 Q 1 v t 1L 11 0 0 u HC 44 7 0 u f電路的輸入電壓脈寬調(diào)制信號輸入輸出電壓圖 Buck 變換器當開關(guān)管導通時，電感上的電流處于最小值，此后電感電流開始上升，但電流仍低于負載電流 Io，于是電容仍向負載供電，因此輸出電壓下降。當電感電流上升到等于 Io 時，電容停止向負載供電，此時輸出電壓達到最小值。隨著電感電流的繼續(xù)上升，電容開始充電， 從最低值開始上升。當開關(guān)管截止時，電感上電流處于最大，此后Vo電感上電流開始下降，但電流仍比 Io 大，所以電容仍處于充電狀態(tài)，輸出電壓 繼Vo續(xù)上升。當電感電流下降到 Io 時，電容停止充電，此時電容上電壓達到最大值。隨著電感電流的下降，電容開始放電， 由最大值逐漸開始下降。假設(shè)開關(guān)管的導通時間Vo為 ,截止時間為 ,并且開關(guān)管和電感為理想元件，則TonTof,其中 為開關(guān)的脈沖占空DiUV???*)/( TonfTon/)/(???比。若開關(guān)管一直處于導通狀態(tài)，截止時間為零，則 ；若開關(guān)管一直截止，導Vi通時間為零，則 ，隨著 與 的比例不同，輸出電壓 為 0— 之間的各0VoTonf Vo種值。下面具體分析該電路的工作過程：開關(guān)管導通時，發(fā)射極上的電壓為 21cesi??為開關(guān)管飽和壓降， 為輸入電壓，那么電感電壓 為 ,VVi VLdtILoe??為電感電流，則在經(jīng)歷 以后，開關(guān)管截止，此時電感電流最大，電流值為ILTon 22Le/)(max??在這一瞬間，電感儲能為： ，輸入