智能稳压电源设计_毕业设计(编辑修改稿)

智能稳压电源设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取 代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。 20 世纪 80 年代，计算机全面实现了 开关电源化，率先完成计算机的电源换代。 20 世纪 90 年代，开关电源在电子、电器设备 、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。 开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。 以功率晶体管（ GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。 所以其功耗小，效率可高达 70％－ 95％。 而功耗小，散热器也随之减小。 开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。 此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。 因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。 另 外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。 而且其对电网的 适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围220177。 10％，而开关型稳压电源在电网电压在 110－ 260 伏范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。 智能稳压电源设计 7 开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。 另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。 目前 市场上开关电源中功率管多采用双极 型晶体管，开关频率可达几十千赫； 采用 MOSFET 的开关电源转换频率可达几百千赫。 为提高开关频率，必须采用高速开关器件。 对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。 它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。 研究 主要 内容 设计一个具有设置功能、步进功能和显示功能的开关稳压电源，其指标为： 输出电压：177。 5V 177。 15V 输出电流： Io≥ 2A 纹波系数： Vm≤ 5mV 稳定度：△ Vo/Vo 100％≤ 1％ 任意可预置输出， 步进 V 8 第二章 开关稳压电源的原理 开关 稳压电源的 工作原理 交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。 开关电源的调整管工作在饱和和截止区。 控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。 这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。 控制电路用来调整高频开关元件的 开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。 开关式稳压电源的基本电路框图如图 21 所示 ： 图 21 开关电源基本电路框图 开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。 因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源 [5]。 智能稳压电源设计 9 图 22 调宽式开关稳压电源的基本原理 对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压 Uo 取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。 直流平均电压Ｕ。 可由公式计算 ， 即Uo=UmT1/T 式中 Um 为矩形脉冲最大电压值； T为矩形脉冲周期； T1 为矩形脉冲宽度。 从上式可以看出，当 Um 与 T 不变时，直流平均电压 Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。 这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。 开关电源 常见 电路 1．降压 （串联） 式开关电源 降压式开关电源的典型电路如图 23所示。 当开关管 VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经 VT1 和 L 向 Ｃ 充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。 当开关管 VT1 截止时，电感 Ｌ 感应出左负右正的电压，经负 载 RL 和续流二极管 VD1 释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。 电路输出直流电压的高低由加在 VT1 基极上的脉冲宽度确定 [6]。 图 23 降压式开关电源 这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、 10 电容和二极管即可实现。 2．升压 （并联） 式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如 图 24 所示。 当开关管 VT1 导通时，电感Ｌ储存能量。 当开关管 VT1 截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管 VD1 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。 图 24 升压式开关电源 3．自激式开关稳压电源 自激式开关稳压电源的典型电路如 25 所示。 这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。 图 25 自激式开关电源 当接入电源后在 R1 给开关管 VT1 提供启动电流，使 VT1 开始导通，其集电极电流 Ic 在 L1 中线性增长，在 L2 中感应出使 VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使 VT1 很快饱和。 与此同时，感应电压给 C1 充电，随着 C1 充电电压的增高， VT1 基极电位逐渐变低，致使 VT1 退出饱和区， Ic 开始减小，在 L2 中感应出使 VT1 基极为负、发射极为正的电压，使 VT1 迅速截止，这时二极管 VD1 导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。 在 VT1 截止时，智能稳压电源设计 11 L2 中没有感应电压，直流供电输人电压又经 R1 给 C1 反向充电，逐渐提高 VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。 这里就像单端反激式开关电源 那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。 自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。 电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。 这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。 4．推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图 26 所示。 它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。 电路使用两个开关管 VT1 和 VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直 流电压。 图 26 推挽式开关电源 这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。 电路的输出功率较大，一般在 100500Ｗ范围内。 5．反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图 27 所示。 这种电路又称为升降压式开关电源。 无论开关管 VT1 之前的脉动直流电压高于或低于输 出端的稳定电压，电路均能正常工作。 12 图 27 反转式开关电源 当开关管 VT1 导通时，电感 L 储存能量，二极管 VD1 截止，负载 RL 靠电容 C 上次的充电电荷供电。 当开关管 VT1 截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管 VD1 向负载供电，同时给电容Ｃ充电。 开关电源器件 开关晶体管 开关晶体管内部含有两个 PN 结 ，外部通常为三个引出电极的 半导体 器件。 它对电信号有放大和开关等作用， 应用十分广泛。 输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路，叫做晶体管 晶体管逻辑电路，书刊和实用中都简称为 TTL 电路，它属于 半导体集成电路 的一 种，其中用得最普遍的是 TTL与非门。 TTL 与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的 硅片 上，封装成一个独立的元件。 半导体三极管是电路中应用最广泛的器件之一，在电路中用“ V”或“ VT”（旧文字符号为“ Q”、“ GB”等）表示。 半导体三极管主要分为两大类：双极性晶体管（ BJT）和场效应晶体管（ FET）。 晶体管有三个极；双极性晶体管的三个极，分别由 N 型跟 P 型组成发射极（ Emitter）、基极 (Base) 和集电极（ Collector）；场效应晶体管的三个极，分别是源极（ Source）、栅极（ Gate）和漏极（ Drain）。 晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、 CE组态）、基极接地、集电极接地。 最常用的用途应该是属于讯号放大这一方面，其次是 阻抗匹配 、讯号转换等，晶体管在电路中是个很重要的组 件，许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。 三极管的导通 ， 三极管处于放大状态还是开关状态要看给三极管基极加的直智能稳压电源设计 13 流偏置，随这个电流变化，三极管工作状态由截止 线性区 饱和状态 变 化而变， 如果三极管 Ib（直流偏置点）一定时，三极管工作在线性区，此时 Ic 电流的变化只随着 Ib 的交流信号变化， Ib继续升高，三极管进入饱和状态，此时三极管的 Ic 不再变化，三极管将工作在开关状态。 PWM 控制器 控制器发展 20 多年来，集成开关电源沿着集成化方向发展，首先是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。 1977 年国外首先研制成脉宽调制（ PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相继推出一批 PWM 芯片，典型产品有 MC3520,SG3524,芯片。 90年代以来，国外又研制出开关频率达 1MHZ的高速 PWM、 PFM90（脉冲频率调制）芯片，典型产品有 UC182 UC1864。 一般时间控制法有三种，即脉冲宽度控制（调宽 PWM）、脉冲频率控制（ PFM）和混合式控制（调频 — 调宽）。 用的比较多的还是 PWM, 近几年变频调速技术获得不断的进步和发展特别是在家用电器行业方面的应用。 低廉、节能、高效、 静音以及高可靠性的变频产品成为趋势，各种新型的 PWM 控制芯片不断涌现。 数字化的 PWM 控制芯片相对模拟 PWM 控制芯片 (如 TL494,SG3525,UC3844 等 )，因其抗干扰、抗温漂等方面的优点成为主流产品 [7]。 与微处理技术 典型 PWM 调速控制芯片特点随着微处理器技术的发展，其与 PWM 技术相结合，形成了各类特色的控制方案，主要可分为以下几类 ： (1)采用单一的通用微处理器 (单片机 )来产生 SPWM。 该方案只须采用单个芯片，功能强、灵活、易于保密，但所有的 PWM 信号的产生均需占用 CPU 大量的工作时 间，软件开发周期长，通用性差，不利于产品的更新换代。 (2)采用专用大规模集成电路产生 SPWM 信号。 如 Mullard 公司的 HEF4752,无须微处理器配合，属于纯硬件实现方法，使用简单，省去编写软件的麻烦，开发周期短，但欠灵活性，难以实现更多的功能。 14 (3)采用微处理器和专用大规模集成电路相结合的方式，可以兼具灵活、简单、易于开发、功能勿、一展的特点，如 Siemens 公司的 SEL4520,Mitel公司的SA4828 等，但成本较高。 (4)采用专用调速控制芯片。 此类芯片内部集成有 PWM 发生器、 A/D 转换器、EPROM/EEPROM 或快速可擦写存储器 FlashMemory 等适用于电动泪 L 调速的外围硬件设备，大大减少 CPU 的十预时间，保证 CPU 可以实现更多复杂的控制功能。 这类芯片很多，如东芝公司的八位单片机 TMP88CK49/CM49,Motorola 公司的八位单片机 MC68HC708MP16,Intel 公司的 16 位微处理器 8XC196MC。 特别是高速运算能力 DSP 核的嵌入常见的如 TI 公司的 TM5320F24X 系列、 AD 公司的 ADMCF32X 系列，使得此类芯片完全可以实现高性能的控制算法，如磁场定向控制、无速度传 感器矢量控制等 [8]。 智能稳压电源设计 15 第三 章 智能稳压电源的硬件设计 稳压电源方案论证 方案一：采用线性电源做为主电路，技术成熟，性能优良、稳定设计与制造简单，输出纹波电压低，电磁干扰低。 但 内部功耗大，转换效率低，一般只有45％；体积大，重量重，不便于微型化和小型化；必须具有较大的输入和输出滤波电容；输出电压动态范围小，线性调整率低；输出电压不能高于输入电压 [9]。 方案二：采用开关电源作为主电路，效率高，体积小，能够处理较高的电源密度，拓扑学结构可用于传递单个或多个输出电压。 经过比较 筛选和论文要求参数指标，本设计采用开关电源做为智能稳压电源的主电路。 系统工作原理 系统工作原理 : 220V 交流电压经过整流， 滤波后输出 310V 直流电压，通过在 控制极（可控硅）上加上 PWM 脉冲信号来完成 功率极的饱和 和截止，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压降低 为一个 18V/+18V 的工作电压 供各个电路工作。 振荡脉冲 的 负半周到来，电源调整管的基极 或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止， 310V 电源 被关断，开关变压器次级没电。