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基于單片機(jī)的智能穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)00218-文庫(kù)吧資料

2025-06-28 02:20本頁面
  

【正文】 變?cè)鲆婧皖l率特性。最大500kHz。RT 接在8(REF)腳之間,CT 接5(GND)之間。該電源還可以提供外部5VDC/50mA。: UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、電流比較器、PWM 鎖存、5VDC基準(zhǔn)電源、輸出電路等。另外,由于功耗小,機(jī)內(nèi)溫升低,從而提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而功耗小,散熱器也隨之減小,同時(shí)開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整,然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓,不需要電源變壓器;此外,開關(guān)工作頻率在幾十千赫,濾波電容器、電感器數(shù)值較小。UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式,共有8 個(gè)引腳,: UC3842引腳圖本設(shè)計(jì)所做的開關(guān)型穩(wěn)壓電源是脈沖寬度調(diào)制型(PWM),采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān),通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。采用PWM控制的優(yōu)點(diǎn)是: 簡(jiǎn)化了硬件電路,降低了硬件成本。由于器件設(shè)計(jì)巧妙,由主電源電壓直接啟動(dòng),構(gòu)成電路所需元件少,非常符合電路設(shè)計(jì)中“簡(jiǎn)潔至上”的原則。假如由于某種原因使輸出電壓升高時(shí),脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度,亦即占空比D,使斬波后的平均值電壓下降,從而達(dá)到穩(wěn)壓目的,反之亦然。通過采樣反饋電路改變開關(guān)占空比,來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉的脈寬,從而使輸出電壓穩(wěn)定。I/O 輸出端與開關(guān)電路進(jìn)行光電隔離,防止來自開關(guān)電源電路的干擾信號(hào)影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。 PWM控制電路為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出,系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài)。時(shí)間常數(shù)越大,電荷改變得越慢,則電壓變化也越慢,即交流分量越小,也就“濾除”了交流分量,經(jīng)過濾波后,輸出電壓的紋波減小,直流成分得到提高。有了電荷,兩極板之間就有電壓UC=Q/C。濾波是為了降低輸出電壓的脈動(dòng)分量,得到較為平滑的直流電源,常有的濾波電路有電容濾波、RC(LC)∏型的濾波形式。 橋式整流電路在輸入部分,整流橋VBR1和電容C1可以整流和濾波,還可以減少高頻噪聲。 開關(guān)電源主電路圖開關(guān)電源電路采用UC3842 集成電路,其特征是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,控制型效率高,能夠很好的穩(wěn)定電壓幅值,同時(shí),通過改變脈沖寬度占空比固定開關(guān)的頻率改善波形,具有良好的抑制輸出電壓紋波和噪聲功能。經(jīng)過一段時(shí)間后自動(dòng)重合繼電器,使電路恢復(fù)工作。系統(tǒng)過流保護(hù)選擇用硬件監(jiān)測(cè)的方式,當(dāng)輸出電流超過預(yù)設(shè)值后可由電路直接發(fā)中斷給單片機(jī), 繼電器保護(hù)快速動(dòng)作,可靠性強(qiáng),實(shí)時(shí)性好。本系統(tǒng)Boost 電路的電感選擇及開關(guān)器件的選擇與連接都至關(guān)重要, 決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。主電源回路是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分, 交流輸入電壓經(jīng)一次不可控整流濾波電路平滑濾波后,將得到的直流電壓送至DCDC 電路。保護(hù)動(dòng)作后,利用蜂鳴器和發(fā)光管實(shí)現(xiàn)過流報(bào)警。DCDC 變換的控制可采用PWM 調(diào)制專用芯片,如UC3842芯片內(nèi)部集成了振蕩器(外接電阻電容來決定頻率)、誤差比較器、調(diào)制器等,使整個(gè)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較好。主電源回路主要可分為整流電路和DCDC 變換兩部分,后者決定了系統(tǒng)功能能否實(shí)現(xiàn)及效率的高低。 開關(guān)電源控制電路整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)電源電路可分為三部分:主電源回路,PWM控制及驅(qū)動(dòng)部分和采樣保護(hù)部分。市電經(jīng)整流、濾波變成直流電送入開關(guān)調(diào)整電路,開關(guān)調(diào)整電路在AT89C52的控制下輸出穩(wěn)定的直流電。當(dāng)鍵盤中控制輸出電壓的增減鍵被按下時(shí),單片機(jī)就會(huì)對(duì)設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的增減操作,并將修改之后的設(shè)定值送給模擬開關(guān),更新輸出電壓為當(dāng)前設(shè)定值。;(8)能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整,步進(jìn)值1V,同時(shí)具有輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能。本智能穩(wěn)壓電源以開關(guān)電源為基礎(chǔ)電路,以高性能單片機(jī)為控制核心,組成數(shù)據(jù)處理電路,在檢測(cè)與控制軟件支持下,通過對(duì)開關(guān)電源輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較,從而調(diào)整和控制開關(guān)電源的工作狀態(tài),同時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)電路的工作溫度和輸出電流大小。硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、正負(fù)壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、單片機(jī)、鍵盤顯示等幾部分。智能型穩(wěn)壓電源可利用單片機(jī)設(shè)置周密的保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),確保電源運(yùn)行可靠。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電子、電器設(shè)備對(duì)穩(wěn)壓電源的性能要求日益提高,穩(wěn)壓電源不斷朝著小型化、高效率、低成本、高可靠性、低電磁干擾、模塊化和智能化方向發(fā)展。 整體設(shè)計(jì)框圖及工作原理 整體設(shè)計(jì)框圖直流穩(wěn)壓電源是一種常見的電子儀器,應(yīng)用于電子電路、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。由UC3842設(shè)計(jì)的DCDC升壓電路直接用誤差信號(hào)控制電感峰值電流,間接地控制PWM脈沖寬度,達(dá)到控制輸出端電壓的目的。鍵盤設(shè)定通過單片機(jī)改變模擬開關(guān)接通通道,選取取樣回路的電阻節(jié)點(diǎn)位置,改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦砀淖冚敵鲭妷海瑢?shí)現(xiàn)鍵盤控制功能。方案二:此用PWM調(diào)制的開關(guān)電源輸出,輸出電壓穩(wěn)定,并且提供負(fù)載能力強(qiáng),綜上所述,采用方案二。第3章 硬件設(shè)計(jì) 方案論證與設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體方案論證 方案一:采用A/D電壓放大器直接輸出。因此廣泛用于電力電子裝置的內(nèi)部電源。單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍,工作頻率在20-200kHz之間。當(dāng)變換器輸入電壓在一個(gè)較大范圍內(nèi)發(fā)生變化,或負(fù)載在較大范圍內(nèi)變化時(shí),必然跨越兩種工作方式。在反激式變換器中,一般有兩種工作模式:完全能量轉(zhuǎn)換型(電感電流不連續(xù))和不完全能量轉(zhuǎn)換型(電感電流連續(xù))。單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路,輸出功率為20-100W,可以同時(shí)輸出不同的電壓,且有較好的電壓調(diào)整率。所謂的反激,是指當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時(shí),高頻變壓器T初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù),整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài),在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量,負(fù)載電流由輸出濾波電容提供;當(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí),變壓器T初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量,通過次級(jí)繞組及VD1 整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出,以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時(shí)消耗的能量。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí),通過變壓器向負(fù)載傳送能量,所以輸出功率范圍大,可輸出50-200W的功率。在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí),VD2也導(dǎo)通,這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量,濾波電感L儲(chǔ)存能量;當(dāng)開關(guān)管VT1截止時(shí),電感L通過續(xù)流二極管VD3 繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí),電感L 儲(chǔ)存能量,二極管VD1 截止,負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。 升壓式開關(guān)電源6.反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí),電感L儲(chǔ)存能量。5.升壓式開關(guān)電源電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時(shí),二極管VD1 截止,輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向C充電,這一電流使電感L中的儲(chǔ)能增加。4.降壓式開關(guān)電源 推挽式開關(guān)電源 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng),主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。它屬于雙端式變換電路,高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。這種電路不僅適用于大功率電源,亦適用于小功率電源。 自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從,也省去了控制電路。在VT1截止時(shí),L2中沒有感應(yīng)電壓,直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電,逐漸提高VT1基極電位,使其重新導(dǎo)通,再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài),電路就這樣重復(fù)振蕩下去。自激式開關(guān)電源當(dāng)接入電源后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動(dòng)電流,使VT1開始導(dǎo)通,其集電極電流Ic在L1中線性增長(zhǎng),在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為正,發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓,使VT1 很快飽和。 。2.自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。這部分電路目前已集成化,制成了各種開關(guān)電源用集成電路。這樣,只要我們?cè)O(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄,就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。 即Uo=UmT1/T ()式中Um為矩形脈沖最大電壓值;T為矩形脈沖周期;T1為矩形脈沖寬度??捎晒接?jì)算, 調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理對(duì)于單極性矩形脈沖來說,其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度,脈沖越寬,其直流平均電壓值就越高。 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理 開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種,在實(shí)際的應(yīng)用中,調(diào)寬式使用得較多,在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中,絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。(2).按DC/DC變換器的工作方式分,有單端正勵(lì)式和反勵(lì)式、推挽式、半橋式、全橋式、降壓式、升壓式以及升降壓式。 電路結(jié)構(gòu) 開關(guān)型穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)有多種。按電源相數(shù)可分為單項(xiàng)、三相、多相。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經(jīng)整流、濾波,因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是必不可少的,同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動(dòng)作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作消耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達(dá)到27 W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管),是整個(gè)電路效率提高到90%。 (4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電容傳輸。 (2) Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui,極性相同。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調(diào)制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調(diào)制方式,ton不變,改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。以下分別對(duì)兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。 開關(guān)電源的分類現(xiàn)在的開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù),兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。目前對(duì)這種開關(guān)電源的研究很活躍,因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開關(guān)速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零,而且噪聲也小,可望成為開關(guān)電源高頻化的一種主要方式。不過,對(duì)1MHz以上的高頻,要采用諧振電路,以使開關(guān)上的電壓或通過開關(guān)的電流呈正弦波,這樣既可減少開關(guān)損耗,同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。這樣,不僅會(huì)影響周圍電子設(shè)備,還會(huì)大大降低電源本身的可靠性。要提高開關(guān)頻率,就要減少開關(guān)損耗,而要減少開關(guān)損耗,就需要有高速開關(guān)元器件。目前,開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開關(guān)電源,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。所以,電路功耗很小,效率可達(dá)到80%90%,比普通線性穩(wěn)壓電源提高了近一倍,故開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能型電源開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接從電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整。開關(guān)電源是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān),通過控制開關(guān)輸出脈沖信號(hào)的占空比調(diào)整輸出
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