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摘要:目前使用的晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電源具有很大的體積以及昂貴的變壓器，針對這些不足，提出開發(fā)新型電力供應(yīng)的想法，以解決目前電力變壓器在質(zhì)量和工作頻率方面的不足，而這些不足不適合電子技術(shù)的發(fā)展。為了滿足電子器件的微型化，低成本的要求，就開始使用功耗低的功率器件作為開關(guān)設(shè)備，并通過改變占空比來調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)程度進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。由于在市電上進(jìn)行整流等操作，就可以省去降壓的過程，并且此類半導(dǎo)體器件的通斷速度快、電容量小和電感小以及功耗低，所以開關(guān)電源適合應(yīng)用于電網(wǎng)，具有良好的適應(yīng)性前景，所以現(xiàn)在開關(guān)電源在市場上逐漸占據(jù)了很重要得地位。由于開關(guān)電源的不斷改進(jìn)使得電源的體積越來越小，功耗越來越低。開關(guān)電源的設(shè)計優(yōu)良取決于選擇合適的電子器件以及合適的開關(guān)電路，反激開關(guān)電源由于結(jié)構(gòu)簡單成本低廉得優(yōu)勢在低功耗得電源設(shè)計中有著重要得地位，是低成本電源得首選方案。
目錄
1 緒 論 4
1.1研究背景 4
1.2研究方向和實現(xiàn) 4
1.3研究意義 4
1.4設(shè)計任務(wù)與要求 5
1.4.1設(shè)計任務(wù) 5
1.4.2設(shè)計指標(biāo) 5
2 隔離降壓斬波電路的理論分析 6
2.1正激電路與反激電路區(qū)別 6
2.1.1 反激電路 6
2.1.1 正激激電路 6
2.2開關(guān)電源的基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 6
2.2.1 Buck電路 6
2.2.2 Boost電路 7
2.3主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇 8
2.3.1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇依據(jù) 8
2.3.2基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比 8
2.4整流電路比較 9
2.4.1半波整流 9
2.4.2全波整流 10
2.5單端反激電路 11
3 隔離降壓斬波系統(tǒng)設(shè)計選擇 12
3.1方案選擇 12
3.1.1單片機控制 12
3.1.2硬件電路控制 12
3.2器件選擇 12
3.3系統(tǒng)框圖 12
3.4軟件介紹 13
3.4.1Altium Designer 13
3.4.2Proteus 14
4隔離降壓斬波系統(tǒng)的硬件設(shè)計 15
4.1輸入側(cè)部分 15
4.2降壓電路設(shè)計 15
4.3整流電路設(shè)計 16
4.4PWM控制器設(shè)計 17
4.5濾波電路設(shè)計 17
5 隔離降壓斬波系統(tǒng)實現(xiàn)及調(diào)試 18
5.1系統(tǒng)的實現(xiàn) 18
5.2系統(tǒng)的調(diào)試及問題分析 24
總 結(jié) 25
參考文獻(xiàn) 26
致謝 27
附錄 原理圖 28
1 緒論
1.1研究背景
隨著科技的發(fā)展，電氣和電子設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于日常生活、科學(xué)研究、學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。電子對電力運行和穩(wěn)定性等指標(biāo)的要求越來越大。能源研究和開發(fā)已成為新技術(shù)和設(shè)備開發(fā)的一個重要組成部分，并在促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。
近年來，由于科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)直流調(diào)節(jié)器的頻率范圍已經(jīng)很寬，但是和國外的調(diào)節(jié)器頻率相比還存在很大差距。國外的一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始研究直流調(diào)節(jié)電源領(lǐng)域的高頻能源的拓?fù)淅碚摰难芯俊⒉僮髟瓌t和模型分析等先進(jìn)技術(shù)。在這方面，穩(wěn)定的直流電源的開發(fā)和應(yīng)用嚴(yán)重落后。
信息時代，隨著電子科技的迅猛發(fā)展，各式各樣的穩(wěn)壓電源早已在電子技術(shù)方面的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在歐洲和美國已經(jīng)形成了電源行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)，許多公司生產(chǎn)的電源性能都很好，但在國內(nèi)大多數(shù)的還是比較傳統(tǒng)的線性直流電源{1]。
1.2研究方向和實現(xiàn)
本次課題反激電路設(shè)計的穩(wěn)壓電源，采用反激電路作為主電路，這種電路是通過改變占空比的大小來改變開關(guān)管的通斷程度，進(jìn)而改變輸出電壓的數(shù)值，由于采用的低功耗的開關(guān)管，所以此類電源的自身功耗也比較低。輸出電壓的最大值為5V，最大輸出的電流為2A，具有結(jié)構(gòu)簡單易懂、輸出功率小、工作安全可靠、穩(wěn)定性良好，噪聲性能極佳，輸出電壓穩(wěn)定且具有體積小、重量輕、方便攜帶的特點。適合在教學(xué)儀器和實驗室儀器中應(yīng)用，并在具備了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的功能之外，增加了防短路防過流的功能，穩(wěn)壓范圍高，大大改善了裝置的控制可靠性及保護(hù)性能。是對實際應(yīng)用中的穩(wěn)壓電源的進(jìn)一步改進(jìn)，符合市場需求，能有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。
1.3研究意義
電子科技的迅猛發(fā)展，各式各樣的穩(wěn)壓電源早已在電子技術(shù)方面的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在目前的電氣設(shè)備中都需要使用直流電源，在一些高性能以及高精度的電氣設(shè)備中需要更高標(biāo)準(zhǔn)的直流電源，傳統(tǒng)的恒壓輸出電源適配器已經(jīng)具有上述功能，其中一些已經(jīng)達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠在多種情況下滿足需要。
1.4設(shè)計任務(wù)與要求
1.4.1設(shè)計任務(wù)
設(shè)計一個反激電路穩(wěn)壓電源，本系統(tǒng)是具有能夠輸出穩(wěn)定的5V直流電源，最大輸出電流不超過2A，且能夠防止過載和短路等原因損壞自身和供電設(shè)備。并制作出一套能夠?qū)嶋H工作的直流穩(wěn)壓電源實物。
1.4.2設(shè)計指標(biāo)
穩(wěn)壓電源應(yīng)該滿足生活中常見的場景，能夠滿足多種設(shè)備的用電需求，同時輸入電源應(yīng)該滿足市電的要求。本設(shè)計的電源應(yīng)該滿足輸出最大幅值為5V，輸出電流最大能夠達(dá)到2安培，同時具有過流保護(hù)和短路保護(hù)。
2隔離降壓斬波電路的理論分析
2.1正激電路與反激電路區(qū)別
2.1.1 反激電路
當(dāng)電路的控制開關(guān)打開時，反激開關(guān)電源不會向負(fù)載提供電源輸出。只有當(dāng)控制開關(guān)關(guān)閉時，這個時候才會將能量轉(zhuǎn)化輸出，當(dāng)開關(guān)的頻率為0.5時，變壓器的副側(cè)電壓輸出是主側(cè)電壓的二分之一，最大負(fù)荷的電流是二次線圈最大電流的四分之一。變壓器的電壓波動系數(shù)基本上與定向電路的電壓波動系數(shù)相同，但是這個時候的電流紋波系數(shù)翻倍。所以反激電路和正激電路的輸出特性不同，反激電路的開關(guān)頻率一般小于0.5，防止頻率過快對電路造成損壞。電流不停流過變壓器的二次線圈，電壓電流的波動系數(shù)增加，電壓和電流的輸出特性會增加。
2.1.1 正激激電路
正激式開關(guān)電源輸出電壓瞬態(tài)控制特性優(yōu)于反激電路，正激式開關(guān)電源正好是在變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈向負(fù)載提供功率輸出，輸出電壓值輸出功率基本穩(wěn)定，輸出電壓的值基本相同，這表示正激開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性優(yōu)于反激電路。并且只有當(dāng)控制開關(guān)是關(guān)斷時，才由儲能電感和儲能電容同時提供功率輸出。輸出電壓受到負(fù)載電流的影響，但如果儲能電容的容值越大，負(fù)載電流對輸出電壓的影響就更小。
由以上可知，正反激電路主要在輸出的瞬態(tài)控制以及電路體積上有顯著區(qū)別，在本設(shè)計中對于輸出電壓的瞬態(tài)控制的特性要求并不嚴(yán)格，并且設(shè)計主要是為了作為適配器上使用，所以對電路的體積要求較為嚴(yán)格，所以最終決定使用反激電路作為主體電路。
2.2開關(guān)電源的基本的結(jié)構(gòu)
2.2.1 Buck電路
Buck電路就是降壓電路的一種，具體原理是在開啟Q控制脈沖之后，C開始充電，輸出電壓在充電期間施加到負(fù)載的兩個端部。電感L電流逐漸增加，存儲的磁場能量一直增加然后由于偏置而切斷DC二極管D。經(jīng)過一段時間后，控制信號Q斷開，L電流減少，存儲的磁場能量通過DC二極管D傳輸給負(fù)載，當(dāng)負(fù)載兩側(cè)電壓小于C兩側(cè)的電壓時，C便向負(fù)載供電。控制脈沖再次打開，以此過程重復(fù)[2]。
Buck電路的特點是正激勵變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因為電路中沒有變換器，所以輸入和輸出之間沒有絕緣；Buck電路只能實現(xiàn)降低電壓，因為占空比D小于1，所以輸出電壓在任何時候都不能大于輸入電壓；不能產(chǎn)生多個輸出，所以Buck電路只有一個輸出，只有在增加后繼調(diào)節(jié)器才能增加輸出路數(shù)；Buck電路能夠在直流狀態(tài)下操作并且能夠在斷續(xù)的電流情況下工作；具有輸出波紋低，效率高，輸入和輸出電壓差大，但動態(tài)響應(yīng)低；所以Buck電路具有小尺寸的結(jié)構(gòu)和低成本投入[3]。
圖2-1 Buck電路
2.2.2 Boost電路
Boost電路即為升壓斬波電路，當(dāng)三極管導(dǎo)通時，電流從正極流出然后存儲在電感中，存儲在C中的電能被釋放到負(fù)載R，當(dāng)三極管關(guān)斷時，由于電感電流不能瞬間變化。會產(chǎn)生一個阻礙電流變化的電動勢，這個時候電流通過二極管流向負(fù)載并給電容進(jìn)行充電。
Boost電路是反激類變換器基本的電路，Boost與Buck電路里一樣的沒有變壓器所以在這里沒有隔離電路，Boost電路的輸出電壓可以比輸入電壓高。電路包含兩種模式，連續(xù)模式常用于高功率的應(yīng)用，間歇模式通常用于低功率情況，因為電感在輸入電路中是串聯(lián)的，所以輸入紋波很小，但輸出紋波比較大，特別是在間歇模式中輸出的紋波更大[4]。Boost電路具有低的轉(zhuǎn)換效率，低電源電壓利用率和低輸出功率。
圖2-2 Boost電路
2.3主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇
2.3.1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇依據(jù)
1.輸出的電壓需要比輸入的電壓高還是低，若需要輸出電壓比輸入電壓高需要選擇Boost電路，反之需要選擇Buck電路，2.電源的輸出是否存在空載現(xiàn)象：如果電源需要空載操作，電路就需要工作在間斷模式。
2.3.2基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比
Buck電路具有許多限制，電路里只有一個電感沒有變壓器，也就是說輸入和輸出之間沒有隔離電路，降壓變壓器只能減小輸入電壓。轉(zhuǎn)換器必須在輸入電壓低于輸出電壓時才能工作，而且Buck電路的輸出端只有單個。如果需要多個輸出電壓，只有使用二次電壓調(diào)節(jié)器時，才能使用該電壓降低電路[5]。
在Boost電路中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電壓就會施加在電感兩側(cè)，電流以某個坡度向上增加，電力被存儲在電感中。當(dāng)開關(guān)斷開時，電流通過二極管流向輸出電容和負(fù)載，然而Boost轉(zhuǎn)換器只有一個輸出電壓，不能產(chǎn)生多個電壓。輸出電壓和輸入電壓沒有隔離，輸出電壓不能小于輸入電壓，輸出電壓只能低于輸入電壓（不包括二極管的導(dǎo)電壓降）。如果只有一組輸出，而且沒有絕緣電源，Boost轉(zhuǎn)換器只需要一個線圈電感就可以工作。
正激電路不能空載和比較大的的電感以使脈沖電流峰值小于最小負(fù)荷電流，否則電流就不會連續(xù)。輸出電壓會過高，使得定向電路在空載狀態(tài)下不能工作。正激電路的變壓器由于不存在無限大的電感所以不能存儲能量，因此不受激勵電路功率的限制，因為該電路只有一個電感來平滑電流，正激式電路可以達(dá)到500W以上，并且對MOSFET器件的要求更高。
在反激電路中，當(dāng)開關(guān)接通時，能量存儲在變壓器的主側(cè)電感中。開關(guān)斷開時，漏電壓應(yīng)大于變壓器的輸入電壓和二次側(cè)電壓，變壓器二次側(cè)電壓應(yīng)大于0，這個時候電流就能夠流過二極管，為輸出電容以及負(fù)載提供電流。在反激式電路中可以容易地通過第二側(cè)線圈的數(shù)量產(chǎn)生多個電壓輸出。每個變壓器輸出電壓與原始邊緣隔絕，并且每個輸出電壓輸出電壓組件可以是任何尺寸的，僅需要改變調(diào)節(jié)器的變比即可實現(xiàn)。
2.4整流電路比較
2.4.1半波整流
圖2-3半波整流電路
圖2-3是一種基本的整流電路。這種電路的包含變壓器、二極管、負(fù)載組成，變壓器將市電轉(zhuǎn)換為低壓的交流，再利用二極管的單向?qū)ǖ奶匦裕瑢⒇?fù)半周期的直接舍棄，就能產(chǎn)生脈動直流[6]。圖2-4是半波整流電路波形圖。
圖2-4半波整流電路波形圖
如圖2-4（b）所示，雖然實現(xiàn)了整流，但是輸出的電壓和電路還是在一直變化，這種半周期和較低半周期的方法被稱為半波整流。從圖中可以看出，半波整流是將負(fù)周期的電流舍棄，這種轉(zhuǎn)換效率低[7]。
2.4.2全波整流
對常規(guī)整流電路的輸入側(cè)進(jìn)行一些改變，就可以得到全波整流電路，這種電路能夠提高轉(zhuǎn)換效率，圖2-5是全波整流電路的電原理圖。
圖2-5全波整流電路
全波整流可以看成是兩個半波整流的，變壓器的副側(cè)需要引出一個抽頭，將副側(cè)的線圈切割成兩個獨立的線圈，但需要保證兩個線圈保持對稱，這樣就可以產(chǎn)生兩個電壓幅值相同但方向相反的電壓，構(gòu)成E2a、D1、Rfz與E2b、D2、Rfz，兩個通電回路。
圖2-6全波整流電路波形
依次循環(huán)，因為兩個二極管依次導(dǎo)通，造成的現(xiàn)象就是負(fù)載再整個周期的任何時候流過的電流和電壓方向都相同，波形圖如2-5（b）所示，這個流程稱為全波整流，全波整流將整個周期的正負(fù)半周都進(jìn)行整流，這樣就提高了整流的效率。這種整流電路在使用時需要含有使兩端對稱的中心抽頭，制作起來比較繁瑣，同時這種電路中施加在二極管的電壓使變壓器副側(cè)的2倍，所以在選型時需要選擇耐壓較高的二極管。
2.5單端反激電路
反激電路的原理就是當(dāng)三極管的導(dǎo)通的時候，電流從輸入端經(jīng)過三極管流向變壓器再流向地，由于同名端的原因?qū)二極管截止導(dǎo)通，所以變壓器變?yōu)樯县?fù)下正，并且通過主側(cè)電感來存儲能量。當(dāng)三極管關(guān)閉時，變壓器主側(cè)電壓變?yōu)樯县?fù)下正，副側(cè)電壓相反，這個時候二極管開始導(dǎo)通，電流經(jīng)過D和L流向下端，與此同時會給電容進(jìn)行充電
反激電路一共有兩個工作模式，分別為連續(xù)模式和斷續(xù)模式，兩種模式的區(qū)別在于當(dāng)S導(dǎo)通時，主側(cè)的線圈中的電流的大小，當(dāng)電流不為0時，稱為連續(xù)模式，當(dāng)電流為0時稱為斷續(xù)模式。
圖2-7單端反激電路
3 隔離降壓斬波系統(tǒng)設(shè)計選擇
3.1方案選擇
3.1.1單片機控制
單片機控制的電源穩(wěn)壓電路系統(tǒng)是完全實現(xiàn)自動運行，可以自動檢測電源狀態(tài)、自動檢測電源環(huán)境、自動進(jìn)行電壓或者電流的補償，甚至可以自動檢測電源出現(xiàn)故障的原因，但需要包含A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等器件，價格昂過，且需要編程，單片機也會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的情況[9]。
3.1.2硬件電路控制
開關(guān)電源和傳統(tǒng)的電源不同，開關(guān)電源的低功耗的開關(guān)管大多處于完全開啟或者完全關(guān)閉的狀態(tài)，雖然開關(guān)管在兩個狀態(tài)之間切換的時候需要消耗較高的能量，但由于轉(zhuǎn)換的時間很快，也就減少了熱量的產(chǎn)生，降低了能量的消耗。在理論情況下，開關(guān)電源本身不消耗能量，輸出電壓的變化是通過改變開關(guān)管的開關(guān)時間來實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓，傳統(tǒng)的線性電源輸出穩(wěn)定的直流電壓時，晶體管是始終處于放大區(qū)，在這個期間晶體管本身也會有較大的能量損耗。
開關(guān)功率轉(zhuǎn)換效率高是其主要特征之一。優(yōu)點由于操作頻率高，可以使用低容積和小體積變壓器，所以在體積上開關(guān)電源的整體也比較小，在重量和電源的轉(zhuǎn)換效率上也比傳統(tǒng)的線性電源更優(yōu)秀。但是開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和原理較為復(fù)雜，電源使用的開關(guān)管需要高頻率的進(jìn)行開關(guān)切換，切換的過程會產(chǎn)生切換電流，需要對這部分電流進(jìn)行處理否則會影響到電源的其它設(shè)備[10]。
3.2器件選擇
在設(shè)計項目時除了主控芯片元器件的選擇也會關(guān)乎設(shè)計的穩(wěn)定運行，元器件的選型和數(shù)字的選擇都是至關(guān)重要的，設(shè)計項目不能像維修人員那樣僅僅考慮器件的數(shù)字，還要能保證器件在設(shè)備使用時能夠穩(wěn)定且不出現(xiàn)問題。
電阻的選型：電阻式產(chǎn)品設(shè)計中使用頻率最高的設(shè)計，在電路中主要起到了分壓、限流、負(fù)載等功能。在對電容進(jìn)行選擇時，主要是對于電容中絕緣體的材料進(jìn)行選擇，因為該絕緣體材料很大程度上決定了電容的性能。
3.3系統(tǒng)框圖
穩(wěn)定的直流電源是將220伏交流電流轉(zhuǎn)換成的電壓輸出直流的裝置，通常包括電變壓器、精整流電路和控制電路PWM，基本框架如下：
圖3-1原理結(jié)構(gòu)圖
1、降壓部分
降壓是通過變壓器將220V市電轉(zhuǎn)換成低壓的交流電。變壓器變比由主側(cè)和副側(cè)之間的匝數(shù)比決定。變壓器主側(cè)與副側(cè)的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器轉(zhuǎn)換效率。
2、整流部分
本設(shè)計采用單相橋式整流電路，功能是將交流降壓電路的低壓交流電輸出轉(zhuǎn)換為單脈沖脈動性直流電，橋式電路使用二極管組成，相互之間首尾相接，保證在整個交流周期里能夠為負(fù)載提供方向都不變的電壓和電流。
3、濾波電路
整流電路輸出的直流電壓數(shù)值變化明顯，不能直接將該電壓施加在負(fù)載兩端以免對負(fù)載造成損傷，為了降低輸出電壓的紋波可以采用電容進(jìn)行濾波，電容具有通交流隔直流的功能，可以在輸出端使用電容將交流部分過濾掉。
濾波電路中最簡單的是使用電容進(jìn)行濾波，在負(fù)載兩端并聯(lián)電容就組成了電容濾波系統(tǒng)，為了滿足較大的紋波范圍大多采用大容量的電解電容，但需要注意電解電容在使用中需要區(qū)分正負(fù)極，濾波電路離要電容器的充電和放電功能來平滑電壓輸出，將兩個過濾電容器連接在一起，并且接地連接，就可同時得到輸出電壓平滑的正負(fù)電源。
4、PWM控制部分
UC3843是一個由PWM控制的開關(guān)電源集成電路，芯片在負(fù)載的相應(yīng)和電壓的輸出有很好的表現(xiàn)。芯片內(nèi)部包含了低電壓保護(hù)電路以及穩(wěn)定的參考電壓具有大電流的輸出。包含自動補償電路、雙脈沖抑制特性、和高電荷響應(yīng)特性[11]。
3.4軟件介紹
3.4.1Altium Designer
Altium設(shè)計是唯一一個統(tǒng)一的應(yīng)用程序和所有技術(shù)及功能，它集成了電子產(chǎn)品開發(fā)�；诂F(xiàn)場可編程門網(wǎng)絡(luò)和離散處理器的集成軟件的設(shè)計與開發(fā)，Altium是電子行業(yè)的設(shè)計解決方案，能夠滿足當(dāng)前的環(huán)境的要求，也能夠為領(lǐng)域未來的發(fā)展提供幫助。軟件可以實現(xiàn)電路原理的仿真、電路圖紙的編輯、電路的自動布線電路信號完整性的分析。為從事電路開發(fā)的研究員設(shè)計了一套全新的工作平臺，可以促進(jìn)電路開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展，軟件的有效使用會讓電路設(shè)計的質(zhì)量和效率將大大提高。
3.4.2Proteus
由于電腦的緣故，本次設(shè)計仿真未能采用SPICE仿真軟件，故本文在進(jìn)行電路仿真時主要使用的是Proteus，同時，使用Proteus有個優(yōu)點，就是能夠一定程度的減少仿真過程中所需要消耗的成本。Proteus的功能非常的強大，一般情況下使用其他的軟件，在設(shè)計過程中與仿真測試時使用的軟件不同，而Proteus則能夠?qū)崿F(xiàn)從系統(tǒng)的設(shè)計到實物的制造都使用一個軟件。
4隔離降壓斬波系統(tǒng)的硬件設(shè)計
4.1輸入側(cè)部分
反激式開關(guān)電源的控制芯片種類非常豐富，很多電源開發(fā)公司都會選擇不同的控制芯片，反例如UC3842、UC3845、等等。雖然選擇的芯片不同，但是對于反激電路的結(jié)構(gòu)和原理是相同的，本設(shè)計采用UC3842作為控制芯片進(jìn)行設(shè)計[12]。單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作結(jié)構(gòu)如下：
圖4-1反激式開關(guān)電源原理圖
當(dāng)Q1的基極信號脈沖從低電平變成高電平時，D1整流器在直流輸入電壓充電至主線圈的NP的兩端時被偏振和逆向切斷，因為第二線圈的相位在頂部是負(fù)的，而在底部是正的。當(dāng)驅(qū)動脈沖為低電平Q1截止時，將原始NP線圈的兩個端的電壓反轉(zhuǎn)，以使側(cè)二次線圈的相位為正、負(fù)和整流管正偏轉(zhuǎn)。然后將存儲在變壓器中的磁力傳輸?shù)截?fù)載上并釋放到負(fù)載上。
4.2降壓電路設(shè)計
由于反激式開關(guān)電源的輸出功率較小，所以選擇鐵氧體材料的磁芯即可，功率容量計算使用Ap法：式中，Ae是磁芯截面積（cm2），Aw是磁芯窗口面積（cm2）；PT（W）是變壓器的標(biāo)稱輸出功率，在計算時換成輸入功率用來計算磁芯的最大功率；Bm（Gs）磁芯工作的磁感應(yīng)強度，可根據(jù)電源功率和工況溫度設(shè)定，一般取2000（Gs）；n是變壓器的效率，通常取它的值為0.8~0.9；Km是窗口的填充系數(shù)，一般取0.2~0.4；Kc是磁芯的填充系數(shù)，對于鐵氧體Kc=1.0。變壓器的磁芯要留有一定的工作余量，所以計算出的Ap值要小于實際測量的Ae*Aw的值。
圖4-2 磁芯的窗口面積和有效截面積
在本設(shè)計中鐵芯的選取用EE25，設(shè)備的輸出功率不能大于100瓦特。磁芯的磁感應(yīng)強度大約du10000GS，截面積大約5cm2，通過計算變壓器的主側(cè)每伏線圈匝數(shù)為1，因此變壓器的主側(cè)匝數(shù)需要滿足220匝，通過匝數(shù)比公式計算，副側(cè)匝數(shù)應(yīng)該為220/10匝。
4.3整流電路設(shè)計
橋式整流的為電路圖4-3，變壓器的副側(cè)如圖4-3連接，四個二極管首尾相連，因此它們被稱為橋式整流電路，橋梁二次輸出也可以在正負(fù)半個周期的時間內(nèi)把次級輸出引入到一個負(fù)載中，具體接法如圖所示，D1/D2導(dǎo)引電電流從上穿過RL，當(dāng)D3/D4傳導(dǎo)電流在負(fù)半周內(nèi)從上至下穿過RL時，則能實現(xiàn)整流，若需要輸出一樣的電流，則繞組的直徑只需原有的一半，如果同樣大小的電流輸出，繞組的直徑必須相應(yīng)地增加。
圖4-3整流電路原理圖
因為整流電路的輸出電壓包含一個重要的脈沖部件。為了盡量壓低脈動成分，還應(yīng)盡可能保持DC分量，并使輸出電壓接近所需的DC電流。過濾方式通常使用電容或電感的能量存儲功能來實現(xiàn)的。
4.4PWM控制器設(shè)計
PWM控制器控制逆變電路開關(guān)設(shè)備的斷開，通過PWM控制器輸出的幅值相同而寬度不同的脈沖，脈沖的寬度根據(jù)輸出電壓的反饋進(jìn)行調(diào)整，通過不同寬度的脈沖改變開關(guān)管的通斷狀態(tài)，最終得出不同的輸出電壓，使用PWM電路不僅可以電壓的輸出還可以增強波形的功能。4-5脈沖寬度調(diào)制電路方案。
圖4-4PWM控制電路原理圖
4.5濾波電路設(shè)計
輸出濾波系統(tǒng)包括容量，電解電容器的選擇應(yīng)基于等效串聯(lián)電阻（ESR）值的電容，L 1將影響電路的穩(wěn)定性，通常在3.3-200 UH.R16范圍內(nèi)是電荷。虛擬的公式輸出電壓與負(fù)載相關(guān)：負(fù)載電阻越大，輸出電壓越高，負(fù)載電阻越低。激勵因此，必須將“虛擬負(fù)載”連接到電路上，否則輸出電壓太大。會損壞電源部件的電子器件。圖4-5濾波電路原理圖。
圖4-5濾波電路原理圖
5 隔離降壓斬波系統(tǒng)實現(xiàn)及調(diào)試
5.1系統(tǒng)的實現(xiàn)
在實物的調(diào)試階段主要需要使用到系統(tǒng)原理圖和PCB，這兩個都是在制作系統(tǒng)的過程中不可缺少的一部分。使用系統(tǒng)的PCB能夠增加電路板制作的效率，而使用系統(tǒng)原理圖主要是為了把系統(tǒng)中每個不同的模塊進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而在焊接的過程中減少出錯的可能性。
圖5-1為該設(shè)計的反激電路原理圖，主要有三個重要的組件，分別是輸入側(cè)、降壓電路，整流電路以及反激電路。本設(shè)計需要使用外部交流220V電源，之所以要使用變壓器模塊主要有兩個原因，第一個原因是可以將交流的220V轉(zhuǎn)換為12V的交流，能夠進(jìn)行較好的電壓匹配，另一個原因是能夠避免自己繞制變壓器出現(xiàn)的各種問題。
圖5-1反激電路原理圖
如圖5-2是本次電路設(shè)計開環(huán)調(diào)節(jié)的電路圖
圖5-2 開環(huán)調(diào)節(jié)電路圖
圖5-3通過示波器采集的電路中主要元器件以及變壓器的工作波形圖
圖5-3 開關(guān)管波形
通過仿真輸入電壓的范圍，檢測輸出的電壓是否穩(wěn)定，下圖為輸入不同電壓時的輸出電壓波形，電壓范圍200V、220V、240V。表5-1為電壓測試結(jié)果表。
圖5-4 200V輸出波形
圖5-5 220V輸出波形
圖5-6 240V輸出波形
表5-1電壓測試結(jié)果表
輸入電壓
200V
220V
240V
輸出電壓
5V
5.1V
5.4V
當(dāng)輸出過流時由仿真圖5-8可以看出輸出電壓降為零，以保護(hù)電路。
圖5-7短路輸出電壓
圖5-8為該設(shè)計的實物，在制作實物時由于影響，部分材料無法購買，便使用常用的器件制作了以下實物，主要包含繼電器、保險絲、整流橋、穩(wěn)壓管，交流220V電壓經(jīng)過保險絲至變壓器，經(jīng)過變壓器將220V市電轉(zhuǎn)換為低壓的交流電，然后通過整流橋?qū)?2V的交流轉(zhuǎn)換為直流電源，最后通過LM317將12V直流電壓穩(wěn)定在直流5V電壓，最大電流不超過2A。
圖5-8實物圖
檢查整體電路模塊的正常；使用萬用表對電路各個模塊的電源對地進(jìn)行測量，防止電源正和負(fù)發(fā)生斷路，檢測無誤后對設(shè)備上電，使用電壓表對各個模塊的管腳進(jìn)行測量，確定各部分的電壓是否在理論范圍內(nèi)，在其后的通電調(diào)試前，將組裝完成后的電路與其對應(yīng)的電路圖對照，按順序逐級對應(yīng)檢查電路連線。
在變壓的設(shè)計中最先需要確定主側(cè)的參數(shù)，然后根據(jù)輸出的電壓范圍和電流范圍確定副側(cè)的電感值。
原邊一次側(cè)電感（H）： 式中，fs開關(guān)頻率的縮小，K是紋波系數(shù)。
然后上電后測量輸出端電壓確定為5V，實現(xiàn)了交流220V轉(zhuǎn)5V直流的穩(wěn)壓電源設(shè)計并且在輸出測串聯(lián)電阻和電流表，根據(jù)電阻的不同使得輸出電流增加，并監(jiān)控保險絲是否熔斷。測試結(jié)果如表5-2所示：
表5-2電流測試結(jié)果表
電流
0.1A
0.2A
0.4A
0.6A
0.8A
1A
1.2A
1.6A
1.8A
是否熔斷
否
否
否
否
否
否
否
否
是
5.2系統(tǒng)的調(diào)試及問題分析
在調(diào)試讀降壓部分時，我也遇到了一些問題，剛開始是不能降壓，無論更換器件都沒有反映，檢查了電路板，沒有發(fā)現(xiàn)有問題，檢查了器件的型號也沒有問題，為盡快找到問題出處我將變壓器單獨取下，拿萬用表測輸入測的阻抗，結(jié)果一直是正常，我檢查電路板上輸入側(cè)時發(fā)現(xiàn)變壓器的輸入側(cè)的引腳和電路板未有效連接，造成交流電源的輸入端沒有和變壓器的輸入側(cè)連接，在重新對電路板的各個管腳進(jìn)行補焊之后，重新接入220V交流電后正常降壓。在這個設(shè)計中，系統(tǒng)上電后了，檢測變壓器的輸出端電壓為12V左右，整流電路的輸入端電壓正常，但在整流電路的輸出端電壓一直為零，同樣檢查了器件的型號也沒有問題，經(jīng)過逐步排查發(fā)下一個二極管的方向焊接錯誤，將實物的二極管拆卸下來重新替換后正常。經(jīng)過前端的降壓整流后，將電壓接入到穩(wěn)壓芯片端，得到的輸出電壓雖然穩(wěn)定但電壓數(shù)值為6V，不符合5V的設(shè)計要求，此時的問題應(yīng)該在反饋的比例電阻數(shù)值不符，經(jīng)過重新計算得出精確的反饋電阻數(shù)值后重新替換后，輸出電壓為正常的5V。
總結(jié)
畢業(yè)設(shè)計是對過去知識的良好鞏固，之前對模擬電路和數(shù)字電路的知識有過基礎(chǔ)的掌握，但在系統(tǒng)的使用之間沒有掌握實際的聯(lián)系。通過這個畢業(yè)計劃在理論知識和動手能力方面得到大幅度提高，首先是在接到任務(wù)后，在設(shè)計過程中選擇適當(dāng)和正確的方法是很重要的。設(shè)計的開始確定好第一步是非常重要的，在設(shè)計開始之前就應(yīng)該尋找信息資料，準(zhǔn)備材料是畢業(yè)項目一個良好的開端是成功的一半。在圖書館、書店和文獻(xiàn)室是一種非常好的方式，但也有一些缺點，比如時間不受控制。不管怎樣在審查數(shù)據(jù)時，有必要逐案記錄這些數(shù)據(jù)，以便加以使用。通過這一過程，就會積累了大量的信息，可以更好地理解這個主題，這是對這些主題的更深入分析的基礎(chǔ)。有了研究方向，前三個步驟已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，就需要開始實際操作。從每一個小模塊中測試可以避免過多的錯誤設(shè)計，一步一步的完成各個模塊的設(shè)計，就會降低設(shè)計的難度。在設(shè)計中經(jīng)常會出現(xiàn)解決了一個問題緊跟著又會出現(xiàn)新的問題，設(shè)計的進(jìn)行也是伴隨解決不同問題的過程，不管怎么說，經(jīng)過了這次的畢業(yè)設(shè)計我的文獻(xiàn)研究能力得到了提高，我的綜合分析能力得到了提高。自主獲取新知識和制作文件的能力可以充分發(fā)展，幫助我學(xué)習(xí)嚴(yán)格的科學(xué)態(tài)度，幫助我提高外語翻譯的水平，幫助我獲得諸如實驗、測試、分析等研究技能。 |
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