基于单片机的智能照明控制及驱动系统毕业设计说明书论文(编辑修改稿)

基于单片机的智能照明控制及驱动系统毕业设计说明书论文(编辑修改稿)内容摘要：

i对 N1 绕组施加电压，使得 N1 中有电流 i1 流过，所以 N1 线圈中将产生感应电动势，此时次级线圈 N2 会相应地产生一个感生电动势，并且给负载供能。 开关管 K 关断后，变压器初级和 次级线圈中流过的电流变为零，为保持磁通的恒定， N3 线圈绕组将会产生一个励磁电流，其中电流的强弱将会随着时间的推移而减小。 2） 反激式：与正激式相反， K 被接通，变压器电感会存贮能量，只有 K 断开，反激式变换器将会向负载供能。 U iN 1TKN 2C+DU 2U 0RI 0U e 图 25 反激变换器的开关电源电路图 图 25 为反激变换器的开关电源电路图。 Ui 为输入电压， T 为变压器， K 为开关管， D 为二极管用来阻断反向电流， C 为储能滤波电容。 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 30 页 在 Ton 期间，输入电压会给初级线圈绕组施加电压，使线圈绕组 N1 中 有电流，与此同时两端会产生感应电动势，相应的线圈绕组 N2 也将会产生感应电动势，但是两个线圈的同名端没有在同一侧，所以二极管没能够被导通，所以变压器的二次侧是相当于开路，没有电流流过，之后变压器开始储能。 当开关管由接通变为断开的瞬间，变压器初级线圈中的电流突然变为零，由于磁通不能够突变，所以在 Toff 期间，磁通将会由 N2 线圈绕组中电流产生的磁通来维持，N2 中会有反激电流，变压器将释放能量，经由二极管向电容和负载供能。 U i0U ptU aU aU oU c0U ota )b ) 图 26 临界导通各点电压 当开关管关断瞬间，线圈绕组 N2 产生了反激电流与电压，假设此时 N2 线圈绕组直接接在负载电阻 R 上，将产生一个很大的脉冲。 但因为 N2 线圈绕组经过了整流滤波，并且负载电阻 R 与滤波电容 C 的时间常数很大，所以输出电压稳定。 在开关管断开期间内，二次侧电压平稳地向负载电阻 R 与电容 C 供能。 开关管接通，变压器二次侧开路，一次侧充能，电容 C 给负载电阻 R 放电。 开关电源的控制方式 在控制系统中，开关电源的参考电压与输出电压相比较，获得的误差信号表明了输出电压偏离参考电压的方向与程度，控制器将会根据误差调整控制量。 如误差是“ +” ，表明了输出电压低于参考电压，控制器使其增加并提高到参考值输出电压；如果误差为 “ ” ，则与其相反。 这样的控制方式称为反馈控制，它可以使开关电源的输出电压与参考电压的相对误差小于 1%至 %，甚至更高。 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 30 页 电压控制模式 如图 27 所示反馈控制中系统仅出现一个电压反馈控制环，所以称之为电压控制模式。 P W M 比 较 器锯 齿 波CL控 制 器++eU cVC CRLufU* 图 27 电压反馈控制 图 27 是电压控制模式的开关稳压电源反馈控制系 统，它是较早出现的的一类控制模式，其最大的优点是结构简单，但也有一个很明显的缺点，它不能有效地控制电流，当电路过载或短路时，需要用过电流保护电路来停止工作，从而得以保护电路。 电流模式控制 由于电压模式控制存在明显缺点，于是研究并发明了电流模式控制方式。 图 28为电流模式控制系统框图，在电压反馈控制环内增加了电流反馈控制环，电压控制器的给出信号会作为电流控制环的参考信号，由电流控制环设置一个上下限，由此可以有效地控制电路中的电流，起到保护电路的作用，并且实现恒流控制。 电 压 控 制器电 流 控 制 器eU*+ufi*+ifVC CLc RL 图 28 电流模式控制 开关电源的三种调制方式 按照时间比率控制原理，开关电源有三种调制方式，即脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式以及混合调制方式。 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 30 页 脉冲宽度调制 脉冲宽度调制方式 (PWM)，其开关周期是恒定的，它由转变脉冲信号的占空比方式，从而节制开关管导通的时间，用此来改变变换器中的电流，达到控制输出功率以及输出电压的目的。 PWM 调制方法是开关变换器中最广泛使用的一种方法， 它由反馈信号与基准信号之间得到的差值然后与内部锯齿波相比较，之后产生一个恒定频率变宽的矩形波信号来控制开关管，并且能够通过负载的调节来控制开关管导通时间，可得到保持平稳的输出电压。 脉冲频率调制 脉冲频率调制方式 （ PFM） ,其导通脉冲宽度保持恒定，由控制频率的变化来控制开关的占空比，进而实现对能量的掌控。 输出电压的可调范围比较大，只需要很小的负载。 因为滤波电路要在比较宽的频率之间工作，所以滤波器的体积较大，这是它的缺陷之处。 混合调制 混合调制的开关工作频率和脉冲宽度均不是固定的，全可以改变，是上述两种调制方法的综合体。 在频率变化范围较小的情况下，混合调制方式可以得到可调范围很大的输出电压。 因此，这种方式很适合用于实验室电源。 功率因数校正 开关电源促进了现代社会生活的极大进步，然而相应的也带来了一些问题，例如谐波与对电网污染的问题。 通常开关稳压电源的输入级采用不可控容性整流电路，这种电路优缺点明显，优点是成本低、结构简单等，但同时缺点也很明显，输入的电流不是正弦波。 其根本原因在于二极管整流电路不能够控制输入电流，当供电电压比电 容电压高时，此时二极管导通，反之则不导通，这就会形成电流脉冲。 其解决办法就是压制电流的脉冲幅度，让其波形能够接近于正弦波，我们将这种技术称之为功率因数校正技术。 此技术可以分为有源功率因数校正和无源功率因数校正两种。 1） 有源功率因数校正技术 有源功率因数校正这种电路采用全控开关器件，由其组成的开关电源能够对输入的电流波形进行有效控制，使其成为正弦波，由此其总谐波可以得到极大的降低，功淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 30 页 率因数更是高达 ，能够很大的满足如今实行的最为严厉的谐波标准准则，它的使用将会更加广泛。 但其电路较为复杂，成本略 高，这也是人们不得不考虑的问题。 2） 无源功率因数校正技术 此技术由电容与电感等组成的无源网络进行功率因数校正，它经由提高电流的导通角来增加功率因数。 它于二极管整流电路中补充添加加了电感和电容等一系列无源器件。 优点：结构简易性能可靠，制作成本低。 缺点是：体积重量大，功率因数只能提高到 左右，难以满足现行谐波的标准限制。 L1L2L0C1C2C0VC OVM 图 29 无源功率因数校正电路 开关电源未来发展 1） 高频化 高频化可以有效减小电源体积并且提高电源的功率，还可以很好地改善开关电源动态响应。 2） 高效率化 最近谐振、恒频零开关以及零电流变换器等技术成为热门的研究课题。 这些技术在理论上可以使得损耗为零，可以使目前的电源转换率提高 10%左右。 3） 无污染化 由于功率因数校正技术的发展及应用，使得功率因数获得极大的提升，并且谐波对于电网造成的污染也极大地减少。 我们在 DC/DC 变化器与输入整流之间加入了有源功率因数校正技术更是将功率因数接近于 100%，输入电流波形无限接近于正弦波而且与电压能够同相。 4） 模块化 由于分 布式供电系统的广泛使用，电源将向模块化方向发展。 从而开关电源的可淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 30 页 靠性得到提升而且节能高效。 能够以低电压和低消耗向超高速集成电路供电；也可以同时用小功率模块组成大功率电源得到大功率输出。 3 驱动电路 临界导通式单级 PFC 反激式变换器原理 如图 31，经过全桥整流后，输入的交流电流转换得到脉动直流电压，之后由分压电阻取样作为乘法器的一个输入信号。 同样的输出电压也会被分压电阻取样，经过误差放大器和基准电压放大比较，这样也会得到一路信号作为乘法器的另一路输入信号。 两个信号经由乘法器处理得到的输出信号 将会成为 PWM 调制解调器的同相端输入，反向端的输入则为变压器的一次侧电流检测信号。 如果检测的电流幅度值大于误差放大器的放大电压幅度值， PWM 则会输出低电平信号，导致触发器发生复位， MOS管将会关断，所以变压器存储的能量将会从二次侧线圈绕组输出。 当检测到一次侧线圈绕组电流为零时且电压此刻翻转，触发器将输出高电平，然后 MOS 管导通，此时一次侧的线圈绕组中的电流开始上升。 这样将可以重复 MOS 管的接通与断开动作，使得电流波形跟随整流之后的电压波形，如此可以极大减少电流产生的谐波并且提高功率因数。 DR2CBR3C1P W Mn : 1C0R1R4R5QSR过 零 检 测补 偿乘 法 器++ 图 31 临界导通式单级 PFC 反激变换器电路的原理图 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 30 页 主电路设计 高频变压器设计 1) 需要满足初级与次级线圈的匝数比的要求。 依据变压器工作原理，如完全不考虑到线圈绕组的电阻，一次侧与二次侧的电压比等于两侧匝数比。 设变换器二次侧匝数Ns，一次侧匝数 NP，最小输入电压 Vin min，整流管的压降 VDF，输出电压 Vo，最大占空比 Dmax，对于单端反激变换器必须满足： 2) 符合磁不饱和的要求。 设输入变压器初级线圈电压方波值为 Vin,匝数为 N，磁通密度为 B。 匝数 N 和磁通密度 B 的关系式为： 为了使得变压器在占空比最大，输入电压最高时，要使变压器磁芯仍然保持不饱和，对于单管单极性变换器，由上式可得： 3） 满足升温与损耗最小要求。 在设计时一次与二次线圈所占面积相 等，可以使铜损最小；合理选择磁芯的工作频率和工作磁感密度，可以使铁损最小。 4） 减小漏感。 减小线圈绕组的厚度并加大其高度；减少匝数，使用低损耗、高 Bm磁芯；在安全的条件下，尽可能使线圈绝缘厚度小；线圈绕组 一律 采用分层式交流绕组。 5） 减小分布电容。 线圈使用分段绕制；合理安排线圈极性从而减小电位差；绝缘材料的相对介电常数小。 滤波电容器设计 开关稳压电源绝大部分工作在矩形波或方波状态下工作，因此会含有较多的谐波电流与电压。 在输出端增加滤波电容则可以减小输出电压波纹。 此滤波电容应该具有较好的阻抗频率特性 ，所以我们选用铝电解电容。 设 f 为开关频率 ； PO 是输出功率。 UO淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 30 页 是输出电压； ΔV是输出纹波电压。 滤波电容满足下列表达式： 主开关管选择 足够快的开关速度、足够大的耐压值和足够大的额定电流是选择开关管的必要条件。 本次设计中的开 关管需要承受初级线圈开关管关断时冲击电压、反射电压和正向导通的峰值电压。 而开关管所能承受的电压必须大于上述电压的总和。 同时开关管的开关速度要尽量快，因此关断延迟时间和开通延迟时间都必须要短。 整流输出二极管设计 1）选用正向压降小的整流二极管 ， 在反向额定电压和正向额定电流满足使用条件的情况下，选用正向压降 比较 小的整流二极管可以 大大 提高效率并 极为有效地 减小损耗。 2）反向恢复时间短， 由于时间短有效地 降低了二极管的发热与损耗，并且减小了干扰与噪声。 3) 正向恢复电压低 ， 可以减小开通损耗。 4）反向 漏电流小 ， 反向漏电流过大会增加关断损耗并且和反向额定电压与温度有关。 5）额定电压的选取 6） 额定电流的选取（二次侧占空比 Ds=） ,二极管中的最大电流、电流有效值分别为： 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 30。