【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源與線性電源的比較 線性電源的缺點(diǎn)（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(diǎn)的原因是：（1）線性電源中功率晶體管 V 在整個(gè)工作過(guò)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(huì)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)（1）功耗小，效率高。圖 中，開(kāi)關(guān)管 V 在脈沖信號(hào)的控制下，交替工作在導(dǎo)通截止和截止導(dǎo)通的開(kāi)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(kāi)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(dá)到 80%以上。（2）體積小，重量輕。由于沒(méi)有采用大型的工頻變壓器，并且在開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號(hào)的占空比或者激勵(lì)信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過(guò)變頻或者調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負(fù)載有較大變化時(shí)，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(kāi)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(shí)也節(jié)省了成本。 系統(tǒng)方案論證開(kāi)關(guān)電源具有較快的發(fā)展，從而產(chǎn)生了不同的設(shè)計(jì)思路。開(kāi)關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)不同的方案的對(duì)比得出了最佳方案的設(shè)計(jì)。圖 開(kāi)關(guān)電源的一般框圖單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源，從對(duì)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙8 方案 1主回路采用非隔離推挽式拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 所示） ，輸入與輸出電氣不相連，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實(shí)驗(yàn)室使用。本設(shè)計(jì)采用方案二。 +Vout+圖 隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 方案 3方案 3：?jiǎn)纹瑱C(jī)擴(kuò)展 A/D 轉(zhuǎn)換器，不斷檢測(cè)輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤(pán)預(yù)置電壓的差值，輸出一個(gè) 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(diǎn)是固定脈沖寬度，利用改變開(kāi)關(guān)頻率的方法來(lái)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(kāi)關(guān)的頻率，通過(guò)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙9輸出電壓和噪聲?；谏鲜隹紴V及題目的具體要求，本設(shè)計(jì)選用 PWM 調(diào)制方式。方案 3 分析：這個(gè)方案，單片機(jī)不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制核心，單片機(jī)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(jī)控制。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇第三種控制方案，單片機(jī)使用 89C52，A/D 芯片采用ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤(pán)預(yù)置電壓，設(shè)計(jì)任務(wù)要求輸出可調(diào)，所以設(shè)定值需要從鍵盤(pán)輸入，實(shí)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(jì)系統(tǒng)工作原理圖如圖 所示：市電經(jīng)過(guò)整流濾波后，一路電壓經(jīng)過(guò) 7805 穩(wěn)壓得到一個(gè)+5v 電壓，該電壓作為單片機(jī)的工作電源，另外一路電壓直接作為開(kāi)關(guān)變換電路的輸入電壓。單片機(jī)根據(jù)鍵盤(pán)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(kāi)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(pán)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(kāi)關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲(chǔ)能元件，在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感釋放能量給負(fù)載。單片機(jī)定時(shí)采樣輸出端的電壓，通過(guò) ADC0809 送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號(hào)控制功率開(kāi)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(pán)輸入期望的電壓，單片機(jī)會(huì)根據(jù)鍵盤(pán)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(jī)會(huì)馬上調(diào)用 PID 控制算法，對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時(shí)，電源自動(dòng)進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤(pán)預(yù)置的電壓變化時(shí)，先將鍵盤(pán)輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設(shè)當(dāng)前鍵盤(pán)輸入為 10v，從輸出端取樣的值為6v，差值為 4v，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這個(gè)差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為 10v；同樣，當(dāng)鍵盤(pán)輸入為 6v，輸出端取樣值為 10v，差值為4v，系統(tǒng)會(huì)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(guò)程。同時(shí)，電源可以自動(dòng)穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為 V0，反饋電壓?jiǎn)朧f（Vf=V0） ，用戶設(shè)定電壓為 Vs，當(dāng) V0=Vs 時(shí)，偏差為 0，單片機(jī)不進(jìn)行脈寬更新，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出增加時(shí)，即 V0Vs 時(shí),單片機(jī)采樣的電壓也增加，單片機(jī)根據(jù)偏差修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從而使電壓下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使輸出電壓下降時(shí)，即 V0Vs 時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。廣西工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙10整流濾波電路 開(kāi)關(guān)變換電路 整流濾波電路單片機(jī)控制電路輔助電源LCD 顯示ADC0809 取樣電路鍵盤(pán)預(yù)置圖 單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)難點(diǎn)分析 如何提高電源工作頻率困難分析：現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以達(dá)到 300 千赫茲，本次設(shè)計(jì)雖然采用了 24M 赫茲的晶振頻率，可以通過(guò)單片機(jī)定時(shí)輸出 40 千赫茲的頻率，但是開(kāi)關(guān)電源要求的是單片機(jī)的處理速度要足夠快，51 系列的單片機(jī)，即使使用 24M 的晶振，相對(duì)于開(kāi)關(guān)電源需要很快開(kāi)關(guān)工作頻率，它的速度仍是比較慢的，而且這里單片機(jī)還需要做采樣電壓，掃描鍵盤(pán)，PID 控制等等很多的工作，那么單片機(jī)就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機(jī)可以通過(guò)定時(shí)器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲的頻率，但是定時(shí)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(jì)輸出可調(diào)的開(kāi)關(guān)電源，顯然行不通。解決辦法：現(xiàn)在的問(wèn)題在于單片機(jī)輸出的脈沖占空比無(wú)法改變，硬件更改，只能是更換處理速度高的單片機(jī)，但是成本又增加了，而且還不一定比使用專門(mén)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(gè)變量，一個(gè)周期 T，一個(gè)占空比 D，給它們賦值，T 大于 D，先讓單片機(jī) I/O 輸出高電平，讓 T，D 同時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng) D 計(jì)算到預(yù)計(jì)值，I/O 口為低電平，然后低電平一直延續(xù)到 T 值時(shí)，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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙11使用定時(shí)器，根據(jù)電源的工作頻率設(shè)定定時(shí)時(shí)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(shí)中斷{=1。// 輸出高電平D++。//同時(shí)計(jì)數(shù) T++。 If（D==100）{=0；}//D 到預(yù)計(jì)值，輸出低電平 If （T==1000）{=1；//T 到預(yù)計(jì)值，輸出高電平D=0；T=0；//清零}只要單片機(jī)時(shí)鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。 儲(chǔ)能電感的繞制使用儲(chǔ)能電感目的在于，在功率開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，為負(fù)載存儲(chǔ)能量，電氣上的作用是把開(kāi)關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。本次設(shè)計(jì)儲(chǔ)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(jì)算 式中 為估計(jì)最大輸入電壓下，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，)ax(inIoutTVL??on根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)為開(kāi)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(jì)方法為 其中 為加入氣隙的高磁導(dǎo)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(dǎo)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(jì)算出 值，對(duì)照鐵心產(chǎn)品手冊(cè)，選擇大于 值的產(chǎn)品，即可查得對(duì)應(yīng)ApA的鐵心截面積，由式 確定繞組匝數(shù)。BmeLNI?廣西工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙12 標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù)本次設(shè)計(jì)使用了 ADC0809，這種芯片只能采樣 0 到 5V 的電壓，所采集回來(lái)的電壓對(duì)應(yīng)的是 0 到 255 的數(shù)字量，而用戶從鍵盤(pán)輸入的是電壓值，為了進(jìn)行比較，需要經(jīng)過(guò)標(biāo)度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以得到同樣的單位量綱。控制系統(tǒng)檢測(cè)的被控對(duì)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(guò)變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器或者 V/F 變換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)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(jìn)行顯示、打印、記錄和報(bào)警等操作時(shí)，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(biāo)度變換技術(shù)。本次設(shè)計(jì)的標(biāo)度轉(zhuǎn)換為：鍵盤(pán)輸入為：0 到 12V；采樣 0 到 5V 電壓對(duì)應(yīng)數(shù)字量為 0 到 255 變換程序：r=input*255/12。//input 為鍵盤(pán)輸入值,r 為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量就是說(shuō)使預(yù)置的 0 到 12v 的轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，這樣單片機(jī)系統(tǒng)才能夠進(jìn)行正確的比較處理。 開(kāi)關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇 開(kāi)關(guān)電源的核心是高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間（ ）與截止時(shí)間（ ） ，達(dá)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(kāi)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(kāi)關(guān)型電源是直流供電，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電路得到單方向方波，再經(jīng)過(guò)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(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電能儲(chǔ)存在電感中，同時(shí)也流向負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)元件被控制截止時(shí)，由于電感上的電流不能跳變，儲(chǔ)存于電感中的能量繼續(xù)供給負(fù)載，此時(shí)，續(xù)流二極管正向?qū)?，?gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。電路中開(kāi)關(guān)管和負(fù)載廣西工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙13電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開(kāi)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(hào)輸入輸出電壓圖 Buck 變換器當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感上的電流處于最小值，此后電感電流開(kāi)始上升，但電流仍低于負(fù)載電流 Io，于是電容仍向負(fù)載供電，因此輸出電壓下降。當(dāng)電感電流上升到等于 Io 時(shí)，電容停止向負(fù)載供電，此時(shí)輸出電壓達(dá)到最小值。隨著電感電流的繼續(xù)上升，電容開(kāi)始充電， 從最低值開(kāi)始上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感上電流處于最大，此后Vo電感上電流開(kāi)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(dāng)電感電流下降到 Io 時(shí)，電容停止充電，此時(shí)電容上電壓達(dá)到最大值。隨著電感電流的下降，電容開(kāi)始放電， 由最大值逐漸開(kāi)始下降。假設(shè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Vo為 ,截止時(shí)間為 ,并且開(kāi)關(guān)管和電感為理想元件，則TonTof,其中 為開(kāi)關(guān)的脈沖占空DiUV???*)/( TonfTon/)/(???比。若開(kāi)關(guān)管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，截止時(shí)間為零，則 ；若開(kāi)關(guān)管一直截止，導(dǎo)Vi通時(shí)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(guò)程：開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極上的電壓為 21cesi??為開(kāi)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(kāi)關(guān)管截止，此時(shí)電感電流最大，電流值為ILTon 22Le/)(max??在這一瞬間，電感儲(chǔ)能為： ，輸入