毕业论文-基于80c51单片机的开关电源设计-文库吧

【正文】 . 14 图 35 推挽式开关变压器电源各主要工作点的电压、电流波形 ............................................. 14 图 36 典型的 MOSFET 曲线 ................................................................................................ 19 图 37 2110 驱动电路 ............................................................................................................ 20 图 38 IR2110 的内部结构 ..................................................................................................... 21 图 39 用于驱动板桥的电路 .................................................................................................. 21 图 310 产生共态导通现像两只功率输出的波形 .................................................................... 23 图 311 PWM 简单的 LC 滤波网络 ........................................................................................ 23 图 312 Vin 和 Vout 波形图 .................................................................................................... 24 图 313 Vout 与占空比 D 的关系 ............................................................................................ 24 图 314 电压反馈回路及 PWM 的响应波形 ............................................................................ 26 图 315TL494 内部原理图 ..................................................................................................... 27 图 316 TL494 输出波形图 .................................................................................................... 28 图 317 单端输出和推挽输出连接方式 .................................................................................. 29 图 318 误差放大器和电流检测放大器连接图 ....................................................................... 29 图 319 ADC0832 管脚图 ...................................................................................................... 30 图 320 ADC0832 与单片机的接口电路 ................................................................................. 31 图 321 四位数码显示电路 .................................................................................................... 32 图 41 显示子程序流程图 ..................................................................................................... 36 图 42 单片机闭环控制系统框图 ........................................................................................... 38 安徽工程大学毕业设计 3 插表清单 表 3 1 EE 型磁芯参数 .......................................................................................................... 16 汪强：基于单片机的开关电源设计 4 第 1 章绪论 开关电源工作原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图 11 进行说明。图中输入的直流不稳定电压 Ui 经开关 S 加至输出端， S 为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关 S 按要求 改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压 Ui 变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。 U iSU i0T O N U 0t0t0( b )V( a )U 0 (a) 电路图； (b) 波形图 图 11 开关电源的工作原理 为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下 ` TTD ON (11) 式中， T 表示开关 S 的开关重复周期； TON 表示开关 S 在一个开关周期中的导通时间。 开关电源直流输出 电压 Uo 与输入电压 Ui 之间有如下关系： Uo=UiD (12) 由式 (11)和式 (12)可以看出，若开关周期 T 一定，改变开关 S 的导通时间 n0T ，即可改变脉冲占空比 D，从而达到调节输出电压的目的。 T 不变，只改变 n0T 来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制 (PWM)。由于 PWM 式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此 PWM 式开关电源用得 较多。若保持 n0T 不变，利用改变开关频率 f=1/T 实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压 Uo 稳压的方法，称做脉冲频率调制 (PFM)。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不安徽工程大学毕业设计 5 易实现最优化。既改变 n0T ，又改变 T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用 。 开关电源的组成 开关电源的基本组成所示。其中 DC/DC 变换器用以进行功率 变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是 PWM 信号、 PFM 信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、 频率、 波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、 过流过压保护、 输入滤波、 输出采样、 功能指示等电路。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差 放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。 DC/DC 变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的 PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端 LC 滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、 降低输出滤波器 LC 的方法来改善瞬态响应特性。 开关电源的特点 开关电源具有如下特点： (1) 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在 80%～ 90%，高的可达 90%以上 ； (2) 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的 1/5，体积也大大缩小了 ； (3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90~270 V 内变化时，输出电压的变化在 177。2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率 ； （ 4）安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠 ； (5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20 kHz以上，因此滤波 元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性 [2]。 开关电源发展方向 开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用 SMT 技术在电路板两面布置元件以确保开关 电源的轻、小、薄。 （ 1）高效 电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展的一种集中体现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效率尤为重要。 汪强：基于单片机的开关电源设计 6 （ 2）低功耗 随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导体产业中最为活跃 的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步发展。 （ 3）智能化 运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大多数笔记本，普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。 （ 4）高集成 便携式应用的空间十分有限，这就迫使电源供应商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本，提升效 能与可靠度。 （ 5）多功能 2020 年，美国国家半导体公司 (NS)宣布推出一款可为先进应用及通信处理器提供供电的电源管理产品。它具有可编程的灵活性，可为采用 ARM 技术的应用及通信处提供稳定的供电。它的电源管理单元 Flex PMU 是一个单芯片的解决方案，设有一个在一起的供电区。 安徽工程大学毕业设计 7 第 2 章 系统的总体设计 方案论证 开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设计思路。开关电源的一般结构框图如图 21 所示 ，本设计通过对不同的方案的对比得出了最佳方案的设计。 C 1V D 1输 入 整 流 滤 波 器TV T功 率 开 关 管 及 高 频 变 压 器V D 2LC 2输 出 整 流 滤 波 器UU oP W M比 较 器振 荡 器U r e f误 差 放 大 器P W M 调 节 器直 流 电 压2 0 k H z ~ 1 M H z5 0 H z直 流 电 压 图 21 开关电源的一般框图 DCDC 主回路拓扑结构 方案一：主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图 22 所示），只能获得低于输入电压的输出电压，且输出电压与输入电压不隔离，容易引起触电事故。 +V inP W MVout 图 22 非隔离式 DCDC 结构 汪强：基于单片机的开关电源设计 8 方案二：主回路采用隔离推挽式拓扑结构（如图 23 所示），输入与输出电气不相连，通过开关变压 器的磁偶合方式传递能量，适合实验室使用。本设计采用方案二。 +