毕业论文-基于80c51单片机的开关电源设计

毕业论文-基于80c51单片机的开关电源设计内容摘要：

Vout+ 图 23 隔离式 DCDC 结构 控制方法及实现方案 方案一 :采用脉冲频率调制 FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。 输出电压的调节范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。 方案二：采用脉冲宽度调制 PWM（ Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定开关的频率 ，通过改变脉冲宽度改变占空比控制型效率高并具有良好的输出电压和噪声。 基于上述考滤及题目的具体要求，本设计选用 PWM 调制方式 [2]。 提高效率的方法及实现方案 针对提高效率的问题，使用了如下两种方案。 方案一：降低开关变压器次级的输出整流管 VD2 的损耗，进而提高变换效率。 可以选择肖特基二极管，其正向传输损耗低，而且不存在反向恢复损耗。 方案二：使斩波器斩波频率与开关变压器的频率相匹配。 改变控制器的开关频率使得开关变压器的磁损耗达到最小，以提高电源的转换效率。 主体思路 采用 80C51 单片机 对基于控制 PWM 的不对称半桥式功率变换器的数字控制， 实现直流输出电压的设定和步进的连续调整，最大输出电流为 5A。 系统主要包括控制开关电源模拟电路部分和单片机组成的数控部分。 系统框图如图 24 所示 安徽工程大学毕业设计 9 输入电路部分： 首先由一个压敏电阻对输入的市电进行尖峰电压限幅，然后由一个扼流线圈对输入浪涌电流进行限流，再由全桥整流滤波电路将输入电压转化成 300V 直流电压。 功率变换部分：本设计选用隔离式开关变压器，隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件， 并通过 MOSFET 功率管对 300V 直流电压进行 PWM 斩波，送入到高频开关变压器进行功率的变换及传送。 驱动电路部分：高压侧 MOSFET 选用 IRFPF50，低压侧选用 IRF540 和 IRF5305。 MOSFET 的工作需要有专用的驱动电路，由 MOSFET 的各个参数算出选择 IR2110 作为MOSFET 的驱动电路。 IR2110 是多通道，输出电流为 2A 的 MOSFET 驱动芯片，其各个指标都满足本设计的要求。 输出电路部分：高频开关变压器变送过来的高频脉动电动势不能直接用于输出，需要对功率 PWM 波进行高频整流滤波。 由 PWM 控制器的输出 PWM 的频率可知，整流管的开关频率必须大于 500KHz。 又由于输出电流较大，整流管的压降损耗严重，因此要选择低导通压降的快恢复二极管。 经过元器件的选型与比较，本设计选用 MUR3060PT肖特基二极管。 MUR3060PT 肖特基二极管正向传输损耗低，而且不存在反向恢复损耗。 PWM 控制部分：由开关电源专用控制芯片 TL494 控制 PWM 的输出， TL494 的振荡频率由其 6 引脚的 RC 值决定，约为 f=（ RC）。 振荡器产生的锯齿形振荡波送到 PWM 比较器的反相输入端 ， 脉冲调宽电压送到 PWM 比较器的同 相输入端 ， 通过PWM 比较器进行比较 ， 输出一定宽度的脉冲波。 当调宽电压变化时 ， TL494 输出的脉冲宽度也随之改变 ， 从而改变开关管的导通时间 Ton ， 达到调节、稳定输出电压的目的 反馈检测部分： 输出电压经过电压采样、电流采样后送到 TL494 的反馈输入端，从而达到控制脉冲宽度的调制。 脉冲调宽电压可由 3 脚直接送入的电压来控制 ， 也可分别从两个误差放大器的输入端送入 ， 通过比较、放大 ， 经隔离二极管输出到 PWM 比较器的正相输入端。 两个放大器可独立使用 ， 如分别用于反馈稳压和过流保护。 信号给定部分：本设计选用单片机控 制系统的工作。 89C51 单片机主要是对功率电路的控制和对输出电压、电流的采样反馈。 信号的给定则用 PWM 的方式进行 D/A 输出，对 PWM 进行二阶滤波后，信号的输出电压 Uo=DU，其中 U 为 PWM 波形的高电平值。 电网 整流滤波 变压 整流 驱动放大 MOSFET斩波 PWM调制 主机 反馈检测 输出 A/D 图 24 系统总框图 汪强：基于单片机的开关电源设计 10 PWM 选用 16 位计数方式，则 D/A 的分辨率为 1/65535，此分辨率完全满足了本设计的要求。 软件设计思路 单片机根据键盘输入值和取样值之间的差值，修改脉冲占空比，并输出控制功率开关管，以 便得到期望的输出电压值 ，并根据 A/D 转换器所采样的电压和键盘输入比较，根据差值调用 PID 算法再次修改脉宽使输出电 压稳定。 开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放能量给负载。 单片机定时采样输出端的电压，通过 ADC0832 送进单片机进行处理，单片机根据处理结果输出更新的控制信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出控制信号控制功率开关管工作状态。 在本系统中，用户可以根据需要从键盘输入期望的电压，单片机会根据键盘输入与采样电压的差值，更新脉宽，使电源输出相应电压，更新脉宽后，单片机会马上调用 PID 控制算法，对输出电压进行稳定控制。 闭环时，电源自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘 预置的电压变化时，先将键盘输入值和从输出端的取样值相比较，假设当前键盘输入为 10v，从输出端取样的值为 6v，差值为 4v，则系统会根据这个差值，更新脉宽使得输出端电压上升为 10v；同样，当键盘输入为 6v，输出端取样值为 10v，差值为 4v，系统会根据算法，将占空比减小以使输出电压变小，这就是系统脉宽调制过程。 同时，电源可以自动稳压，假定在某一正常状态下，输出为 V0，反馈电压问 Vf（ Vf=V0）， 用户设定电压为 Vs，当 V0=Vs 时，偏差为 0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即 V0Vs 时 ,单片 机采样的电压也增加，单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小，从 而使电压下降，同样当电网波动使输出电压下降时，即V0Vs 时，单片机修改脉宽使导通时间变长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压。 安徽工程大学毕业设计 11 第 3 章 系统硬件设计 隔离式高频开关电源 隔离式开关电源的变换器具有多种形式。 主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等。 在设计电源时，设计者采取哪种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。 各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。 隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组的脉冲电压整流滤波而来。 开关电源的基本功能框图如图 31 所示。 I G B T 逆变高 频 变压 器输 出 整流P W M 驱动输 出 滤波输 出输 入 滤波输 入 整流A / D单 片 机P W M 控制 器电 压 反馈 图 31 开关电源的基本功能框图 输入电路设计 前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。 现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世 界范围的交流输入电压，通常是 180260v 的范围。 220V市电经整流桥整流以后，变为约 300V 的。 如图 32 所示。 C502220uFC501220uFC503HVCCHGND44331122扼流 24mHT114K681RK~2~3+14工频整流桥DB1LLNN100pFCHK 图 32 输入电路原理图 汪强：基于单片机的开关电源设计 12 电压整流技术 在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。 现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是 180260v 的范围。 220V市电经整流桥整流以后，变为约 300V 的脉动电压，再由滤波电容平滑滤波后，得到较为平直的 300V 直流电压， 以给开关变压器供电。 输入滤波电容 在交流输入电压最低时，整流滤波后的直流电压的脉动值 Vpp 是最低输入交流电压峰值的 20%25%。 设输入交流电压的变化范围为 Vline(min) ～ Vline(max)，频率 f=40khz。 相电压有效值： Vline(min) ～ Vline(max)： 220V*（ 15%～ 20%） =176～ 253V 相电压峰值： 2 Vline(min) ～ 2 Vline(max)： 249～ 358V 整流滤波后直流电压的最大脉动值： Vpp= 2 Vline(min)*（ 20%～ 25%） =50V（单相） 整流滤波后的直流电压 Vin:（ 2 Vline(min)Vpp）～ 2 Vline(max) 为了保证整流滤波后的直流电压最小值 Vin(min)符合要求，每个周期中 Cin 所提供的能量约为： Win= Pinf = PinAf = =(焦耳 ) 每个半周期输入滤波电容所提供的能量为： 2Win =12 Cin[( 2 Vline(min))2Vin(min)2] （ 31） 因此 输入滤波电容容量为： Cin=Win/(( 2 Vline(min))2Vin(min)2)=713 F （ 32） 上式中，变压器转换率  =70%，由于我们提供的是单相输入则： A=1，频率 f=40KHZ。 输入浪涌保护器件 隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流。 所以必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有 效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。 浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出很低的阻抗，一般情况下，只是电容的 E5R 值。 如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近几百安培。 通常广泛采用的措施有两种，一种方法是利用电阻一双向可控硅并联网络；另一种方法是采用负温度系数 (NTc)的热敏电阻。 用以增加对交流线路的阻抗，把浪捅电流减小到安全值。 本设计采用负温度系数 (NTc)的热敏电阻 [5]。 热敏电阻技术：这种方法是把 NTc(负温度系数 )的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经过桥式整 流后的直流线上。 安徽工程大学毕业设计 13 RTl和 RTz与 NTc 热敏电阻的电阻 — 温度特性和温度系数的关系如图 33 所示 图 33 热敏电阻的温度系数 图 33 中，α是热敏电阻的温度系数，用每度百分比 (％／ c)表示。 当开关电源接通时，热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。 这样，由于阻值较大，它就限制了浪涌电流。 当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对其加热。 由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降，如果热敏电阻选择得合适，在负载电流达到稳定状态时，其阻值应该是最小。 这样，就不会影响整个开关电源的效率。 输入尖峰电压保护 在一般情况下，交流电网上的电压为 220v 左右，但有时也会有高压的尖峰出现。 比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。 受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达 5kv。 另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式： ILW  221 （ 33） 式 33 中 L 是电感器的漏感， I 是通过线圈的电流。 由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏，所以必须要采取措施加以避免 [6]。 用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻 (MOV)瞬态电压抑制器。 当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖峰电压使输入电压达到安全值。 瞬间的能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按下述步骤进行。 （ 1）选择压敏电阻的电压额定值，应该比最大的电路电压稳定值大 10％ 20％； （ 2）计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦尔数； （ 3）查明器件所需要承受的最大尖峰电流。 上述几步完成后， 就可以根据压敏电阻参数资料选择合适的压敏电阻器件。 功率变换电路设计 隔离全桥推挽变换电路 一般情况下，隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件。 在电路中，它是以变压器的形式出现的，但实际上它起的作用是扼流圈。 汪强：基于单片机的开关电源设计 14 典型的全桥推挽式隔离变换器电路结构如图 34 所示 Ui N 1N 2 N 32N 31。