开关电源系统设计方案毕业论文
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1 绪言
1.1课题背景 (2)
1.2选题的国外研究现状及水平、研究目标及意义 (2)
1.3 本课题主要的研究容 (3)
2 系统设计方案与论证
2.1课题研究的基本要求 (4)
2.2方案论证 (4)
2.2.1 DC/DC电路模块方案 (4)
2.2.2 MOSEFT驱动电路方案 (7)
2.2.3 单片机选择方案 (7)
2.2.4检测采样方案 (8)
2.2.5系统框图 (8)
3 硬件电路设计
3.1变压整流滤波电路 (9)
3.2辅助电源的设计 (11)
3.3 Buck电路参数选择原理和计算 (12)
3.3.1参数选择原理 (12)
3.3.2 电感值的计算 (15)
3.3.3 滤波电容的计算 (15)
3.3.4开关管的选择和开关管保护电路设计 (16)
3.4驱动电路的设计 (18)
3.5采样电路设计 (19)
3.6保护电路的设计 (20)
4 软件部分设计
4.1 AVR128简介 (21)
4.2 PWM波的产生 (22)
4.3 AD采样 (26)
5系统调试及结果分析
6 总结与展望
6.1 总结 (30)
6.2 展望 (30)
致谢 (31)
参考文献 (32)
附录 (34)
1 绪言
开关电源具有效率高、体积小、重量轻等特点，应用越来越广泛，从70年代开始，并用轻量高频变压器替代笨重的工频变压器。高效的开关电源飞速发展，逐步替代传统的的线性电源，开关电源不需要较大的散热器，开关电源自20世纪90年代问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。近年来，开关电源在通信、工业自动化、航空、仪表仪器等领域的应用越来越广泛。随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、模块化的方向发展，高效率的开关电源已经得到越来越广泛的应用。随着高频开关电源技术和应用电子技术的高速发展，直流高频开关电源依靠它的高精度、低纹波及高效率等优越性能，正在逐步取代传统的线性电源。同时，高频开关电源系统的高速响应性能、输出短路电流限制及稳压和稳流等优点也使其负载的使用寿命大大增加。评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过流、短路等保护电路。同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视[15]。
许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合出许多毛刺尖峰，甚至出现畸变。大量的谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变;另一方面，会造成电路故障，使用设备损坏。因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到 0.9，如果采用有效的功率因数校正，功率因数可以达到0.99以上。开关电源输入端产生功率因数下降问题，利用有源功率因数校正电路，成本只增加5%，成功解决了这个问题。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种校正功率因数的方法[1]。
目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET 管制成的500kHz 电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性
能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，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能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
1.1课题背景
随着电子技术的飞速发展，电子产品的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对供电电源的要求也越来越灵活多样。开关电源是现代电子设备的“心脏供血系统”，他能把电网提供的强电和“粗电”变换成各种电器设备和仪器所需要的高稳定度得“精电”和“细电”。现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。所谓线性稳压电源就是起调整管工作在线性放大区，这种电源最大的缺点是变换效率低，一般只有35%~60%左右。开关电源的开关管工作在开关状态，其主要优越性就是变换效率高，可高达75%~90%。开关电源具有很大的发展前景，但是随其高频化带来的问题也越来越多，所以值得研究。
1.2选题的国外研究现状及水平、研究目标及意义
目前开关电源的使用对象涵盖了包括空间技术、计算机、通信、仪器仪表、汽车电子、照明电器及家用电器等领域，几乎可以说是只要有电子产品的地方就有开关电源的用武之地。开关电源的诞生历史虽然短暂，但是开关电源技术的发展却是日新月异。从最早的自激振荡式（RCC）到反激振荡式（Flyback），再到正激式（Forward）。从硬开关（Hard Switching）到软开关（Soft Switching），包括ZVS（Zero Voltage Switching）、ZCS（Zero Current Switching）。从当初60%~70%的转换效率到现在的80%~90%的转换效率（甚至更高）；从当初不考虑待机功耗到要求待机功耗必须小于1W。开关电源技术的迅速发展与市场领域的进一步扩大，顺应了电子产品市场的需要[3]。
传统的晶体管串联调整稳压器，虽有输出纹波小，杂音低等优点，但是却又有效率低，体积大而重、过载能力差等严重弱点，并且消耗大量有色金属。20世纪70年代中期以来，无工频变压器的开关电源技术风靡世界各个工业化国家。这种电源丢掉了笨重的工频变压器，功率管工作在开关状态，功率变换器以20kHz~2MHz以上的频率工作，因此效率大大提高，体积和重量大大减小。以功率晶体管（MOSFET）为例，当开关管饱和导通时，漏极（Drian）和源极（Source）
两端的压降接近零，在开关管截止时，其漏极电流为零，所以其消耗的功率低、效率高，一般可高达70%~95%。稳压管体积小质量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十千赫，滤波电容器，电感器可用较小数值的原件，允许的环境温度也可大大提高，机升温低，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围为220±10%，而开关型稳压电源在电网电压从90V~264V围时，都可以获得稳定的输出电压。同时加入了功率因数校正技术，使电网的谐波大大减小，降低了无功功率的损耗，提高了电网的使用效率，满足绿色、环保的要求[1]。
目前，在电源系统的体积大小方面还有大量的工作要做，对比四十年前六个大机柜组成的分立原件及小规模IC的数字计算机，其功能还不如现在的笔记本电脑。相比之下，我们现在的电源体积在电子设备中占的比例还是太大，功率密度远远不够高。VICOR公司的VTM及PRM开辟了DC/DC的新篇章。然而VICOR 的CEO讲，电源技术水平提高的空间仍然很大，我们不能总躺在原有的电路拓扑形式上，要创新，要走新路。
美国目前的数字电源发展速度很快，不仅对大的通信电源完成了设计及配套，而且专块的DC/DC系统也已经数字化，TI（仪器）、MICROCHIP（微芯国际）等都推出了相应的产品，Galexy公司的DC/DC都加入了MCU或CPU，连NoteBook 的适配器也进入了全数字的控制芯片时代，而且包含了对PFC及PWM两部分的控制。
开关电源的发展方向：（1）输入电压通用（2）扩大输入电压围（3）提高输入侧功率因数。
相关技术发展：（1）SMT及自动化技术的应用，专用集成电路的发展技术（2）软开关技术（3）电力系统的管理控制智能化（4）CAD技术的应用。
1.3 本课题主要的研究容
课题研究的容分软件和硬件。
硬件部分设计分成以下几个部分
（1）辅助电源的设计。
（2）DC/DC拓扑结构的选择，各电感、电容参数的选择。
（3）驱动模块设计。
（4）保护电路的设计，包括继电器的选择等。
（5）采样电路的设计。
（6）整流滤波电路的设计。
软件部分的设计，该系统的软件是在AVR128的环境中实现的。包括PWM波的产生，AD采样和保护程序。
2 系统设计方案与论证
2.1课题研究的基本要求
（1） 当输入电压稳定时，输出电压3U 为较稳定直流电压，其平均值误差
不超过0.3伏；
（2） 输出电压3U 的纹波%5.2%1003
3≤??U U ； （3） 整流电路采用单相桥式整流；
（4） 滤波电路采用LC 滤波电路；
（5） 在电压3U 处接入电阻负载，输出功率可达5瓦。
2.2方案论证
2.2.1 DC/DC 电路模块方案
方案一：DC/DC 模块拓扑结构采用（Buck Chopper ）降压斩波电路[15]。电路原理图如图2.1所示：
图2.1 Buck 电路原理图
Buck 电路的优点是开关管的耐压值可以选得较低（一般在1000V 以下）。工作时，输入电压的极性是上正下负，输出电压也是上正下负。在整个回路中输入和输出电压的极性是相反的。在开关管截止时输入电压和储能电感两端的电压极性是相同的，但是与输出电压的极性相反所以加在开关管两端的电压Uv 为输入