1、 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文數(shù)字開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姓名：梅陽鳳申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：李軍201105 電源是電子設(shè)備的重要組成部分，直接影響著電子設(shè)備的工作質(zhì)量，因此，越來越受到人們的重視。隨著電力電子行業(yè)的發(fā)展，電子設(shè)備中的電源由最初的線性電源發(fā)展到開關(guān)電源。開關(guān)電源在電子行業(yè)中扮演著越來越重要的角色，已廣泛應(yīng)用到航空、通訊、交通等各個領(lǐng)域。模擬電路控制電源的研究與應(yīng)用已發(fā)展多年，但它仍存在很多不足之處。數(shù)字控制憑借相對模擬控制的顯著優(yōu)點(diǎn)，如簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，克服了模擬電路中參數(shù)溫度漂移的問題，控制靈活且易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制等，已成為電源領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。本文主要利

2、用數(shù)字化控制方法對開關(guān)電源進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，以期在實(shí)際應(yīng)用中得到性能更穩(wěn)定、體積更小、效率更高的開關(guān)穩(wěn)壓電源，主要工作如下：題所采用的全橋變換電路，并對主電路各部分的元器件的選擇進(jìn)行了分析和計(jì)算。對于主功率變換管的選擇及其驅(qū)動和保護(hù)技術(shù)，本文進(jìn)行了重點(diǎn)研究。萆杓菩枰#疚幕茍?jiān)悔A的全數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了構(gòu)成電源控制系統(tǒng)的各個軟硬件模塊的設(shè)計(jì)原理和方案?？刂葡到y(tǒng)包括主控制器外圍電路、輸出電壓和電流采樣電路、鍵盤與數(shù)碼管顯示電路、輔助電源電路等?？刂品绞讲捎秘制ｍ艰计镑辰{虺絳頡;蛔映絳頡算法子程序、鍵盤及數(shù)碼管顯示子程序等。 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文， 琤瓹，疍琣， ： 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)

3、位論文。 現(xiàn)有的電源主要由線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類組成。這兩類電源由于各自的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、可靠性高、輸出電壓精度高、輸出紋波電壓小。它的不足之處是要求采用工頻變壓器和濾波器，它們的重量和體積都很大，并且調(diào)整管的功耗較大，使電源的效率大大降低，一般情況不會超過。但它的優(yōu)良的輸出特性，使其在對電源性能要求較高的場合仍得到廣泛的應(yīng)用。相對于線性穩(wěn)壓電源來說，開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)更能滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的要求，從世紀(jì)中期開關(guān)穩(wěn)壓電源問世以來，由于它的突出的優(yōu)點(diǎn)，使其在計(jì)算機(jī)、通訊、航天、辦公和家用電器等方面得到廣泛的應(yīng)用，大有取代線性穩(wěn)壓電源之勢。開關(guān)穩(wěn)壓電源的主要

4、優(yōu)點(diǎn)有：效率高；可靠性和穩(wěn)定性好；體積小、重量輕；對供電電網(wǎng)電壓的波動不敏感；在電網(wǎng)電壓波動較大的情況下，仍能維持較穩(wěn) 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文隨著等電子器件的小型化、高速化，開關(guān)電源的控制部分正在向數(shù)字化方向發(fā)展。由于數(shù)字化，使開關(guān)電源的控制部分智能化、零件的共通化、電源的動態(tài)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測成為了可能；同時(shí)由于它的智能化、零件的共通化使得它能夠靈活應(yīng)對不同客戶的需求，這就可以降低開發(fā)周期和開發(fā)成本心，。依靠現(xiàn)代數(shù)字化控制和數(shù)字信號處理新技術(shù)，電源數(shù)字控制成為一個新的發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐步在功率變換設(shè)備中到推廣和應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)部稱采用數(shù)字控制技術(shù)的功率變換設(shè)備為數(shù)字電源。 一直以來，業(yè)界對于數(shù)字電源的

5、概念爭論不一，對應(yīng)的產(chǎn)品也是五花八門，有路L卣韉氖值繚純刂菩酒J汲魷鄭琓中藕糯硭俁扔敫咂悼9氐目9廝俁炔幌喑啤云脹頻率或者更復(fù)雜的控制要求仍將是十分困難的。 論文的主要研究內(nèi)容壓電流可調(diào)的開關(guān)電源。論文的具體結(jié)構(gòu)分配如下： 開關(guān)電源的基本工作原理 變換高頻變壓輸出整流濾波圖高頻開關(guān)電源波形變化圖 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)住論文其中電路中的變壓器是電感儲能式變壓器，它不僅有傳輸能量的作用還有儲存能量的作用。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將儲存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時(shí)消耗的能量，因此該拓?fù)渲胁恍枰敵鰹V波電感，使反激

6、變換器成本降低，體積減少。圖單端正激變換器 直流電壓被變換成高頻交流方波電壓。推挽變換器的實(shí)質(zhì)是兩個正激變換器輪流交的輸入直流電壓。當(dāng)基極激勵消失時(shí)，一對高壓開關(guān)管都截止，它們的集電極施加王 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文不平衡能力，這也是它獲得廣泛應(yīng)用的一個重要原因。 電路正激型幾瓦幾十電路復(fù)雜，成本高，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路，有直通和偏磁問題大功率工業(yè)用開關(guān)電源、焊接電源、電解電源各種工業(yè)用開關(guān)電源，計(jì)算機(jī)設(shè)備用開關(guān)電源等 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 式表明，開關(guān)電源的輸入電壓或輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，如電網(wǎng)電壓升開關(guān)電源控制實(shí)現(xiàn)方式分為模擬控制和數(shù)字控制。模擬控制有其固有優(yōu)點(diǎn)，諸如電路

7、成熟、應(yīng)用方便、實(shí)時(shí)性好等。所以在對開關(guān)電源性能要求不是很高的情況下得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的開關(guān)電源采用模擬電路控制，但模擬電路存在以下缺下降；程度更高，性能更加完美。 度G種愕愣即馕雎試嘉，則有推導(dǎo)可得： 贏弧， 固定為，當(dāng)時(shí)，占空比為，增加或者用軟件算法來進(jìn)一步提高精度到千分之零點(diǎn)二五。刂破魅砑惴齲髦芇波 鑫廠竛淼 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，本數(shù)字式開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)特性如下：最大輸入電流：； 入 不失一般性，這里：電流從沿著、最大變壓器初級、電容和、電流互感線初級、回 以上四種狀態(tài)即為一個開關(guān)周期。 啦籮圖圖高頻整流濾波輸出電路該電路中，采用了快恢復(fù)二極管霉蘢畬蠓聰蜃瓚系

8、繆， 第三章數(shù)字式開關(guān)電源硬件平臺的設(shè)計(jì)。另外，對于鋁電解電容器，在很大容量值及額定電壓范圍內(nèi)，其的乘積 下進(jìn)行仿真。本文采用械腟仿真模塊對圖主電路開環(huán)仿真原理圖圖 第三章數(shù)字式開關(guān)電源硬件平臺的設(shè)計(jì)數(shù)字式開關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)本電源系統(tǒng)的控制電路組成如圖所示：酒圖控制系統(tǒng)框圖如圖所示，控制電路的核心器件是，經(jīng)過信號采集后所得到的 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文與傳統(tǒng)壞械募鄹裼攀啤諍俗罡嚦稍誦兄，特獻(xiàn)試捶岣唬字節(jié)位逐次逼近型;凰俾矢嘰：此外還具有多種系統(tǒng)級外設(shè)功能，如誚諳弒喑坦躀及在系統(tǒng)編程 日棚 刪醉鯊筺虻鴑囂予！俊摶弧鴑，琾守迷啦痢駆琑鳧和島穕，缸恕鳯鳧鮅琍舔琍暌痢珹如，伊!C賠，一個位樂鶇偽平

9、僥猓;黃鰨;瘓卻锏，滿足系統(tǒng)要輸出電壓范圍為，轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)范圍為，帶入上式得： 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文依此比例選定相關(guān)電阻。魏警敬磚鱉蘭蘭圖輸出電壓采樣電路鷓 基于隔離、外接電路以及成本考慮，本電源采用脈沖變壓器來進(jìn)行隔離驅(qū)動。 氍電蕾開機(jī)胤“增”鍵，“設(shè)置”鍵。無特別說明情況下，按鍵方式為觸發(fā)式。按鍵功能如下： 第三章數(shù)字式開關(guān)電源硬件平臺的設(shè)計(jì)復(fù)位信號“。管狣防止數(shù)碼管反向漏電，并提高鍵盤掃描是輸入信號的電平， 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文：砷帥嗣崩蜀研瑚錨電壓墅謊蝦鉨螋亨型墊蠢唬?。‘_核芤籰籠!嬰墮中期翟鉮絲叢 第三章數(shù)字式開關(guān)電源硬件平臺的設(shè)計(jì)螺噶囂娩制有撮，飯諦栩滌芯飠何蘧飅 爿唧軟啟

10、動電路設(shè)計(jì) 第三章數(shù)字式開關(guān)電源硬件平臺的設(shè)計(jì)本章小結(jié) 軟件設(shè)計(jì)總體方案在每一檔中，設(shè)定限定電流和檔位電流及檔位電壓。最開始，電源系統(tǒng)以限定電流對電容進(jìn)行充電，電流環(huán)調(diào)節(jié)來輸出恒定電流；隨著時(shí)間的進(jìn)行，電容兩端電壓逐漸增大，當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到檔位電壓時(shí)，電源系統(tǒng)切換到電壓環(huán)模式，輸出恒定電壓對電容進(jìn)行充電；隨著充電的進(jìn)行，電容電阻逐漸增大，流過電容兩端的電流逐漸減小，當(dāng)其電流值小于設(shè)定的檔位電流時(shí)，系統(tǒng)將認(rèn)為這檔充電完成，對電容切換到放電模式，然后進(jìn)入第二檔充電。依此類推，直至所有檔位充電過程都完成，系統(tǒng)默認(rèn)整個電容充電過程完成，退出充電過程并關(guān)閉開關(guān)電源輸出。 或難以建立時(shí)，常采用刂品椒控制

11、原理簡單、參數(shù)易于調(diào)整、現(xiàn)方便，。為了使用計(jì)算機(jī)編寫程序更為方便，可以將算式改寫如下形式： 。一。一。一通過以上對數(shù)字刂撲惴奶致塾敕治觶梢緣貿(mào)鑫恢檬絇算法和增量這樣容易產(chǎn)生較大的累積偏差，特別是當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)軟件故障的時(shí)候，由于調(diào)節(jié)器項(xiàng)，所以更易于實(shí)現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。 崾禱 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文中斷服務(wù)工調(diào)用子程工鍵盤和數(shù)碼管顯示模塊子程序設(shè)計(jì) ： 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文：。輸入按鍵代碼：醞姆絞劍涑齠寥“醇朊畹奈皇軧獴；出低電平脈沖； 本章小結(jié) 就是開關(guān)過程，其中由基本整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。當(dāng)諧波的頻率較低時(shí)，其會沿著輸電線

12、路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾；當(dāng)其頻率高到一定程度時(shí)，就會以波的形式向空間傳播，從而形成電磁輻射干擾。變壓器功率變換電路是開關(guān)電源的核心，它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富，產(chǎn)生該干擾的主要元器件有】：的強(qiáng)度相關(guān)。由于開關(guān)管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容，當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流時(shí)，一般會形成矩形波，該波形含有大量高頻成分；同時(shí)，由于元器件本身的參數(shù)如開關(guān)管的存儲時(shí)間、輸出級的大電流、開關(guān)整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間等會造成回路瞬間短路，產(chǎn)生很大短路電流，凡是有短路電流的導(dǎo)線及這種脈沖電流流經(jīng)的變壓器和電感產(chǎn)生的電磁場都可形成噪聲源。另外，開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器

13、或儲能電感，在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，變壓器初級會出現(xiàn)很大的涌流而造成尖峰噪聲導(dǎo)適羌飴齔，輕者造成干擾，重者可能擊穿開關(guān)管。 開關(guān)電源由于工作在較高的頻率，會使低頻元器件特性發(fā)生變化，產(chǎn)生噪聲。尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化，其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文雷擊，重載接通，電網(wǎng)電壓低下惡劣的天氣，變壓器的故障，其他原因的故障發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定，區(qū)域性電網(wǎng)故障雷達(dá)，無線信號等突然減輕負(fù)載，變壓器抽頭不當(dāng)整流，開關(guān)負(fù)載，開關(guān)型電源，調(diào)速驅(qū)動雷擊，功率因數(shù)補(bǔ)償電容切換等由上面的分析可知，高頻通斷的開關(guān)管、高頻脈沖變壓器和輸入輸出整流管 該濾波器是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)，

14、其中和為繞在同一鐵芯上的共模電感，二者匝數(shù)相等，繞向相反；電容、與共模電感構(gòu)成低通濾波器，抑制電源中的共模干擾。由于電感器的繞制工藝不能保證、的電感量完全相等，所有與之差形成差模電感，它與、一起構(gòu)成差模低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模噪聲。在開關(guān)電源中，由于功率開關(guān)管在導(dǎo)通瞬間，作為其負(fù)載的高頻變壓器或儲能電感中會出現(xiàn)非常大的電流。在功率開關(guān)管過激勵時(shí)，將在高頻變壓器的初級產(chǎn)生尖峰脈沖，它輕則造成干擾，重則有可能擊穿功率開關(guān)管。解決的辦法是在功率開關(guān)管的集電極和發(fā)射極醇之間并接一個串聯(lián)阻尼網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。緩沖電路 快恢復(fù)二極管，其額定電流和額定電壓分別為：。在變壓器二次側(cè)輸出睫磊廠圖高頻整流電路腅設(shè)計(jì)針對以上布線基本原則，分別得出電源線、地線、信號線等設(shè)計(jì)規(guī)則如下： 第五章電源系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)路組成的印制板，其接地電路布成閉環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。 掉電數(shù)據(jù)保存主要是考慮系統(tǒng)的斷電之后自恢復(fù)。這個對于過程控制特別重要。本章小結(jié) 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源輸出精度能滿足的要求。 結(jié)論路中，設(shè)計(jì)了基于氖摯刂頻緶罰刂頻緶分邪涑齙繆溝緦韃裳 制。 大