开关电源课程设计.docx
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开关电源课程设计.docx
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开关电源课程设计
摘要
电源技术尤其是开关电源技术是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。
电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着开关电源在电子装置中的普遍使用,普通电源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。
随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命,给电力电子技术提供了广阔的发展前景,同时也给电源提出了更高的要求。
本系统基于51单片机为控制单元,以IGBT作为开关器件,可以使变换器工作在较高的开关频率;采用脉冲变压器作为驱动,减少了所需的驱动电源,采用ADC0809模数转换器,通过对输出电压不断地采样,反馈输出变化,调整开关关断与导通的频率来改变占空比,运用调节占空比的大小自动控制输出电压,并且可通过按键、数码显示实现输出电压数控。
此外,系统加以输入过压保护装置,保证系统稳定可靠地工作。
关键词:
开关电源;AT89S51;占空比;保护
引言………………………………………………………………………………………………1
1主回路简介……………………………………………………………………………………2
1.1主回路电路原理……………………………………………………………………………2
1.2主回路各部分简介…………………………………………………………………………2
1.2.1交流调压回路……………………………………………………………………………3
1.2.2整流滤波回路……………………………………………………………………………3
1.2.3降压斩波电路……………………………………………………………………………3
1.2.4控制电路及PWM驱动电路…………………………………………………………………3
2直流稳压电源的设计…………………………………………………………………………4
2.1电源变压器…………………………………………………………………………………4
2.2单相不可控整流电路………………………………………………………………………4
2.3滤波电路………………………………………………………………………………………4
3降压斩波电路设计……………………………………………………………………………5
3.1主电路设计…………………………………………………………………………………5
3.1.1工作过程……………………………………………………………………………………6
3.1.2输出电压的计算……………………………………………………………………………6
3.1.3控制方式…………………………………………………………………………………6
3.2负载电流………………………………………………………………………………………7
3.2.1电流断续……………………………………………………………………………………7
4控制电路及其他辅助电路设计………………………………………………………………8
4.1控制电路设计………………………………………………………………………………8
4.2采样电路设计…………………………………………………………………………………8
4.3驱动电路设计…………………………………………………………………………………8
4.4过压保护设计…………………………………………………………………………………8
5结论……………………………………………………………………………………………9
设计体会……………………………………………………………………………………10
参考文献………………………………………………………………………………………11
引言
以开关电源为代表的各种电力电子装置给工业生产和社会生活带来了极大的进步,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源广泛用于各种电子设备、仪器以及家电等,如台式电脑和笔记本电脑的电源,电视机、DVD播放机的电压,以及家用空调机、电冰箱的电脑控制电路的电源,但功率仅有几瓦。
通信交互机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源,但功率较大,可达到数千瓦至数百千瓦。
工业上也大量应用开关电源,如数控机床、自动化流水线中,采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。
在与单片机结合控制后,开关电源可采用先进的控制方法和智能控制策略,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美,使得开关电源控制更加灵活、简便。
伴随着单片机技术和电力电子技术的迅猛发展,智能化的开关电源会更加广泛的应用并且受到越来越多重视与关注。
1主回路简介
1.1主回路电路原理
该系统采用51系列单片机作为整机的控制单元,通过改变输入数字量的占空比来改变输出电压值,从而使输出功率管的基极电压发生变化,间接地改变输出电压的大小。
为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小,可以经过ADC0809进行模数转换,间接用单片机实时对电压进行采样,然后进行数据处理及显示。
利用51系列单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。
单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控,防止过电压的危害,输出电压经过电流/电压转变后,通过A/D转换芯片,实时把模拟量转化为数据量,经单片机分析处理,通过数据形式的反馈环节,使电压更加稳定,构成稳定的电压源。
其组成框图如图1-1所示,其主电路如图1-2所示。
图1-1开关电源组成框图
图1-2开关电源主电路图
2直流稳压电源设计
2.1电源变压器
电源变压器将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压,是降压变压器,它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定。
2.2单相不可控整流电路
单相不可控整流电路是将变压器次级交流电压变成单向的直流电压,它包含直流成份和许多谐波分量。
工作原理图如图2-1所示。
图2-1单相不可控整流电路原理图
该电路的基本工作过程是,在U2正半周过零点至wt=0期间,因U2 至wt=0之后,U2将要超过Ud,使得VD1和VD4开通,Ud=U2,交流电源向电容充电,同时向负载R供电。 2.3滤波电路 电容主要是“吸收”纹波,具有平滑电压波形的作用。 滤波电路滤除脉动电压中的谐波分量,输出比较平滑的直流电压。 该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。 3降压斩波电路设计 直流—直流交变电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,包括直接直流交流电路和间接直流交流电路。 直接直流交流电路也称斩波电路,它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,一般是指直流交流电路中增加了交流环节,在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离,因此也称为带隔离的直流—直流交流电路或直-交-直电路。 直流斩波电路的种类较多,包括六种基本斩波电路: 降压斩波电路,升压斩波电路,升降压斩波电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。 利用不同的基本斩波电路进行组合,可构成复合斩波电路,如电流可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路等。 利用相同结构的基本斩波电路进行组合,可构成多重斩波电路。 3.1主电路设计 降压斩波电路的原理图如图3-1所示,该电路使用一个全控器件Q1,图中为IGBT,也可以使用其他器件,若采用晶闸管,需设置使晶闸管关断的辅助电路。 图3-1中,为在Q1关断时给负载中电感电流提供通道,设置了续流二极管D1。 斩波电路主要用于电子电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等,后两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中V2所示。 若负载中无反电动势时,只需令V2=0即可。 图3-1降压斩波电路原理图 图3-2降压斩波电路工作波形 3.1.1工作过程 (1)在t=0时刻驱动Q1导通,电源V1向负载供电,负载电压Uo等于电源电压,负载电流按指数曲线上升。 (2)当t=t1时刻,控制Q1关断,负载电流流经二极管D1续流,负载电压Uo近似为零,负载电流呈指数曲线下降。 (3)至下一个周期T结束,再驱动Q1导通,重复上一个周期的过程。 当电路工作于稳态时,负载电流在一个周期的初值和终值相等。 3.1.2输出电压的计算 如图3-2所示,负载电压的平均值为 Uo=E=E=αE 式中,ton为Q1处于导通的时间;toff为Q1处于断态的时间;T为开关周期;α为导通占空比,简称占空比或导通比。 可以看出,可以通过改变α占空比的大小从而来改变输出电压的大小。 3.1.3控制方式 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路可有三种控制方式: (1)保持开关周期T不变,调节开关周期T,称为脉冲宽度调制(PWM)或脉冲调宽型。 (2)保持开关导通时间ton不变,改变开关周期T,称为频率调制或调频型。 (3)ton与T都可调,使占空比改变,称为混合型。 3.2负载电流 当驱动导通时,负载电流通过电感进行储能,负载电流i0按指数曲线上升;当驱动关断时,电感释放能量,由电感产生的电流通过续流二极管经过负载,电流呈指数下降。 负载电流平均值为 Io= 3.2.1电流断续 若负载中L值较小,在Q1关断后,到了t2时刻,如图3-3所示,负载电流已衰减至零,出现负载电流断续的情况。 图3-3电流断续的波形 由于电感电流连续工作模式下,变换器有很好的控制特性;电感电流不连续工作模式下,电感放完电,电感与电容容易产生振荡,从而影响输出电压的纹波;又相同的占空比,输出电压在不连续模式工作模式下比大,效率高。 综上所述,最理想的情况是降压斩波电路工作于临界状态,所以我们采用两种方法: (1)增大电感值,增加电感储能,延长放电时间 (2)提高开关工作频率,减小开关断开的时间使Q1工作在电流连续状态。 4控制电路及其他辅助电路设计 4.1控制电路设计 控制电路以AT89S51单片机为控制核心,构建单片机的最小系统,通过对输出电压不断的采样处理,进而产生驱动电路的PWM脉冲触发信号,改变开关通断的频率进而来改变输出电压的大小,同时也对电路进行监控保护作用,它还通过外接键盘和数码管来对输出电压进行显示与操控。 AT89S51单片机的最小系统如图4-1所示。 图4-1AT89S51单片机的最小系统 4.2采样电路设计 采样电路主要是由ADC0809模数转换器完成,A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量,以便于单片机进行数据处理。 ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换,由单一的+5V电源供电。 片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关,由C、B、A的编码来决定所选的通道,ADC0809完成一次转换的时间与加在CLK引脚上的时钟频率有关,在单片机读取ADC的转换结果时,一般采用外部中断的方式。 4.3驱动电路设计 本系统的驱动器件采用的是IGBT,IGBT模块具有电流容量大、耐压好、体积小等特点。 但是,它与一般电气元件相比,承受过电压、过电流能力较低,短时间的过电压,过电流都会造成IGBT模块损坏。 通过单片机产生的PWM脉冲信号来使IGBT工作在开关状态,进而调节输出电压。 4.4过电压保护设计 当输出电压过大时,反馈信号采集到单片机后,单片机会发出指令改变PWM的占空比,使IGBT开通时间为零,使开关处于截止断态,使得电路断路,来确保电路的安全。 5结论 在开关电源正常工作时,通过隔离变压器将市电降压,之后通过单相桥式整流电路来对交流电进行整流,整流后的直流电经过滤波电路消除电压中的谐波分量后,进入降压斩波电路进行线性调压,通过ADC0809芯片对输出电压进行采样,传递给AT89S51单片机对数据进行处理,之后改变输出脉冲的占空比,通过PWM信号来控制驱动电路IGBT的开关状态来改变输出电压的大小,从而实现智能化控制。 提高了系统的性能,使得控制系统的可靠性提高,易于标准化。 由单片机操控的开关电压结构较为简单,使得系统硬件较为简洁且一致性好,成本低,生产制造方便。 由于控制软件不像模拟器件那样存在差异,所以,采用软件控制,控制板的体积将大大减小,生产成本下降,但可能在PWM波的输出上对程序编程有着较高的要求。 开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。 线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。 随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。 设计体会 通过本次课程设计,是我更加深刻的理解到了书本上的理论知识,通过课程设计我将所学到的知识连贯起来、融会贯通,通过自己动手的摸索与结合生活中的实践,对知识的掌握更加透彻。 在设计过程中,不仅是在电力电子这一学科,而且还结合了我们以前所学过的许多知识,如控制单片机的输出PWM脉冲就与决定开关的输出的电压有着很密切的联系。 而且有些在课堂上、书本上比较难理解的知识点通过这次课程设计也有了进一步的了解,如单相不可控桥式整流电路、还有降压斩波电路的开关控制及电流断续及连续的条件、输出的波形,通过自身实践作图等都对其有了更深刻的理解。 此外,在本次实验中,虽然用AT89S51作为主控芯片可以完成本系统的基本操控,但是51单片机的I/O过少,可能在外接电路的时候出现端口不够用的情况,如果需要的话还得外接8255进行I/O口扩展,这也是一个不足之处。 参考文献 [1](美)普利斯曼.开关电源设计.电子工业出版社,2005.10 [2]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用.电子工业出版社,2008.1 [3]王兆安.电力电子技术.机械工业出版社,2009.5 [4]张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社,2010.5 [5](美)比林斯(Billings,K.).开关电源手册.人民邮电出版社,20012.1
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