|
|
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(duì)這些不足，提出開(kāi)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(kāi)始使用功耗低的功率器件作為開(kāi)關(guān)設(shè)備，并通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源在市場(chǎng)上逐漸占據(jù)了很重要得地位。由于開(kāi)關(guān)電源的不斷改進(jìn)使得電源的體積越來(lái)越小，功耗越來(lái)越低。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)優(yōu)良取決于選擇合適的電子器件以及合適的開(kāi)關(guān)電路，反激開(kāi)關(guān)電源由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉得優(yōu)勢(shì)在低功耗得電源設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) 4
1.3研究意義 4
1.4設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 5
1.4.1設(shè)計(jì)任務(wù) 5
1.4.2設(shè)計(jì)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(kāi)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(duì)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(jì)選擇 12
3.1方案選擇 12
3.1.1單片機(jī)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(jì) 15
4.1輸入側(cè)部分 15
4.2降壓電路設(shè)計(jì) 15
4.3整流電路設(shè)計(jì) 16
4.4PWM控制器設(shè)計(jì) 17
4.5濾波電路設(shè)計(jì) 17
5 隔離降壓斬波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及調(diào)試 18
5.1系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 18
5.2系統(tǒng)的調(diào)試及問(wèn)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(duì)電力運(yùn)行和穩(wěn)定性等指標(biāo)的要求越來(lái)越大。能源研究和開(kāi)發(fā)已成為新技術(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)的一個(gè)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(lái)，由于科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)直流調(diào)節(jié)器的頻率范圍已經(jīng)很寬，但是和國(guó)外的調(diào)節(jié)器頻率相比還存在很大差距。國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用嚴(yán)重落后。
信息時(shí)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(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在歐洲和美國(guó)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(guó)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(shí)現(xiàn)
本次課題反激電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源，采用反激電路作為主電路，這種電路是通過(guò)改變占空比的大小來(lái)改變開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)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(diǎn)。適合在教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)壓電源的進(jìn)一步改進(jìn)，符合市場(chǎng)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(gè)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(jì)任務(wù)與要求
1.4.1設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)一個(gè)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(guò)2A，且能夠防止過(guò)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(shí)物。
1.4.2設(shè)計(jì)指標(biāo)
穩(wěn)壓電源應(yīng)該滿足生活中常見(jiàn)的場(chǎng)景，能夠滿足多種設(shè)備的用電需求，同時(shí)輸入電源應(yīng)該滿足市電的要求。本設(shè)計(jì)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(shí)具有過(guò)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(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，反激開(kāi)關(guān)電源不會(huì)向負(fù)載提供電源輸出。只有當(dāng)控制開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，這個(gè)時(shí)候才會(huì)將能量轉(zhuǎn)化輸出，當(dāng)開(kāi)關(guān)的頻率為0.5時(shí)，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(dòng)系數(shù)基本上與定向電路的電壓波動(dòng)系數(shù)相同，但是這個(gè)時(shí)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(kāi)關(guān)頻率一般小于0.5，防止頻率過(guò)快對(duì)電路造成損壞。電流不停流過(guò)變壓器的二次線圈，電壓電流的波動(dòng)系數(shù)增加，電壓和電流的輸出特性會(huì)增加。
2.1.1 正激激電路
正激式開(kāi)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(kāi)關(guān)電源正好是在變壓器的初級(jí)線圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)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(kāi)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(kāi)關(guān)是關(guān)斷時(shí)，才由儲(chǔ)能電感和儲(chǔ)能電容同時(shí)提供功率輸出。輸出電壓受到負(fù)載電流的影響，但如果儲(chǔ)能電容的容值越大，負(fù)載電流對(duì)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(jì)中對(duì)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(jì)主要是為了作為適配器上使用，所以對(duì)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(kāi)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(kāi)啟Q控制脈沖之后，C開(kāi)始充電，輸出電壓在充電期間施加到負(fù)載的兩個(gè)端部。電感L電流逐漸增加，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量一直增加然后由于偏置而切斷DC二極管D。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，控制信號(hào)Q斷開(kāi)，L電流減少，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量通過(guò)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(shí)，C便向負(fù)載供電。控制脈沖再次打開(kāi)，以此過(guò)程重復(fù)[2]。
Buck電路的特點(diǎn)是正激勵(lì)變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)殡娐分袥](méi)有變換器，所以輸入和輸出之間沒(méi)有絕緣；Buck電路只能實(shí)現(xiàn)降低電壓，因?yàn)檎伎毡菵小于1，所以輸出電壓在任何時(shí)候都不能大于輸入電壓；不能產(chǎn)生多個(gè)輸出，所以Buck電路只有一個(gè)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(dòng)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(shí)，電流從正極流出然后存儲(chǔ)在電感中，存儲(chǔ)在C中的電能被釋放到負(fù)載R，當(dāng)三極管關(guān)斷時(shí)，由于電感電流不能瞬間變化。會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙電流變化的電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)時(shí)候電流通過(guò)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(méi)有變壓器所以在這里沒(méi)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?yàn)殡姼性谳斎腚娐分惺谴?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(duì)比
Buck電路具有許多限制，電路里只有一個(gè)電感沒(méi)有變壓器，也就是說(shuō)輸入和輸出之間沒(méi)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(shí)才能工作，而且Buck電路的輸出端只有單個(gè)。如果需要多個(gè)輸出電壓，只有使用二次電壓調(diào)節(jié)器時(shí)，才能使用該電壓降低電路[5]。
在Boost電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電壓就會(huì)施加在電感兩側(cè)，電流以某個(gè)坡度向上增加，電力被存儲(chǔ)在電感中。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流通過(guò)二極管流向輸出電容和負(fù)載，然而B(niǎo)oost轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)輸出電壓，不能產(chǎn)生多個(gè)電壓。輸出電壓和輸入電壓沒(méi)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(méi)有絕緣電源，Boost轉(zhuǎn)換器只需要一個(gè)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(huì)連續(xù)。輸出電壓會(huì)過(guò)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(wú)限大的電感所以不能存儲(chǔ)能量，因此不受激勵(lì)電路功率的限制，因?yàn)樵撾娐分挥幸粋�(gè)電感來(lái)平滑電流，正激式電路可以達(dá)到500W以上，并且對(duì)MOSFET器件的要求更高。
在反激電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，能量存儲(chǔ)在變壓器的主側(cè)電感中。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，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(gè)時(shí)候電流就能夠流過(guò)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(guò)第二側(cè)線圈的數(shù)量產(chǎn)生多個(gè)電壓輸出。每個(gè)變壓器輸出電壓與原始邊緣隔絕，并且每個(gè)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(shí)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�，將�?fù)半周期的直接舍棄，就能產(chǎn)生脈動(dòng)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(shí)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(duì)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(gè)半波整流的，變壓器的副側(cè)需要引出一個(gè)抽頭，將副側(cè)的線圈切割成兩個(gè)獨(dú)立的線圈，但需要保證兩個(gè)線圈保持對(duì)稱，這樣就可以產(chǎn)生兩個(gè)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(gè)通電回路。
圖2-6全波整流電路波形
依次循環(huán)，因?yàn)閮蓚�(gè)二極管依次導(dǎo)通，造成的現(xiàn)象就是負(fù)載再整個(gè)周期的任何時(shí)候流過(guò)的電流和電壓方向都相同，波形圖如2-5（b）所示，這個(gè)流程稱為全波整流，全波整流將整個(gè)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(shí)需要含有使兩端對(duì)稱的中心抽頭，制作起來(lái)比較繁瑣，同時(shí)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(shí)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(shí)候，電流從輸入端經(jīng)過(guò)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(guò)主側(cè)電感來(lái)存儲(chǔ)能量。當(dāng)三極管關(guān)閉時(shí)，變壓器主側(cè)電壓變?yōu)樯县?fù)下正，副側(cè)電壓相反，這個(gè)時(shí)候二極管開(kāi)始導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)D和L流向下端，與此同時(shí)會(huì)給電容進(jìn)行充電
反激電路一共有兩個(gè)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(shí)，主側(cè)的線圈中的電流的大小，當(dāng)電流不為0時(shí)，稱為連續(xù)模式，當(dāng)電流為0時(shí)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(jì)選擇
3.1方案選擇
3.1.1單片機(jī)控制
單片機(jī)控制的電源穩(wěn)壓電路系統(tǒng)是完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，可以自動(dòng)檢測(cè)電源狀態(tài)、自動(dòng)檢測(cè)電源環(huán)境、自動(dòng)進(jìn)行電壓或者電流的補(bǔ)償，甚至可以自動(dòng)檢測(cè)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(jià)格昂過(guò)，且需要編程，單片機(jī)也會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的情況[9]。
3.1.2硬件電路控制
開(kāi)關(guān)電源和傳統(tǒng)的電源不同，開(kāi)關(guān)電源的低功耗的開(kāi)關(guān)管大多處于完全開(kāi)啟或者完全關(guān)閉的狀態(tài)，雖然開(kāi)關(guān)管在兩個(gè)狀態(tài)之間切換的時(shí)候需要消耗較高的能量，但由于轉(zhuǎn)換的時(shí)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(kāi)關(guān)電源本身不消耗能量，輸出電壓的變化是通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)實(shí)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(shí)，晶體管是始終處于放大區(qū)，在這個(gè)期間晶體管本身也會(huì)有較大的能量損耗。
開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換效率高是其主要特征之一。優(yōu)點(diǎn)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和原理較為復(fù)雜，電源使用的開(kāi)關(guān)管需要高頻率的進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，切換的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生切換電流，需要對(duì)這部分電流進(jìn)行處理否則會(huì)影響到電源的其它設(shè)備[10]。
3.2器件選擇
在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)除了主控芯片元器件的選擇也會(huì)關(guān)乎設(shè)計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)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(jì)項(xiàng)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(shí)能夠穩(wěn)定且不出現(xiàn)問(wèn)題。
電阻的選型：電阻式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用頻率最高的設(shè)計(jì)，在電路中主要起到了分壓、限流、負(fù)載等功能。在對(duì)電容進(jìn)行選擇時(shí)，主要是對(duì)于電容中絕緣體的材料進(jìn)行選擇，因?yàn)樵摻^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(guò)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(jì)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(dòng)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(gè)交流周期里能夠?yàn)樨?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(duì)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(guò)濾掉。
濾波電路中最簡(jiǎn)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(lái)平滑電壓輸出，將兩個(gè)過(guò)濾電容器連接在一起，并且接地連接，就可同時(shí)得到輸出電壓平滑的正負(fù)電源。
4、PWM控制部分
UC3843是一個(gè)由PWM控制的開(kāi)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(dòng)補(bǔ)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(jì)是唯一一個(gè)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(kāi)發(fā)�；诂F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)網(wǎng)絡(luò)和離散處理器的集成軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，Altium是電子行業(yè)的設(shè)計(jì)解決方案，能夠滿足當(dāng)前的環(huán)境的要求，也能夠?yàn)轭I(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展提供幫助。軟件可以實(shí)現(xiàn)電路原理的仿真、電路圖紙的編輯、電路的自動(dòng)布線電路信號(hào)完整性的分析。為從事電路開(kāi)發(fā)的研究員設(shè)計(jì)了一套全新的工作平臺(tái)，可以促進(jìn)電路開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展，軟件的有效使用會(huì)讓電路設(shè)計(jì)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(jì)仿真未能采用SPICE仿真軟件，故本文在進(jìn)行電路仿真時(shí)主要使用的是Proteus，同時(shí)，使用Proteus有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是能夠一定程度的減少仿真過(guò)程中所需要消耗的成本。Proteus的功能非常的強(qiáng)大，一般情況下使用其他的軟件，在設(shè)計(jì)過(guò)程中與仿真測(cè)試時(shí)使用的軟件不同，而Proteus則能夠?qū)崿F(xiàn)從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)到實(shí)物的制造都使用一個(gè)軟件。
4隔離降壓斬波系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
4.1輸入側(cè)部分
反激式開(kāi)關(guān)電源的控制芯片種類非常豐富，很多電源開(kāi)發(fā)公司都會(huì)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(duì)于反激電路的結(jié)構(gòu)和原理是相同的，本設(shè)計(jì)采用UC3842作為控制芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]。單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作結(jié)構(gòu)如下：
圖4-1反激式開(kāi)關(guān)電源原理圖
當(dāng)Q1的基極信號(hào)脈沖從低電平變成高電平時(shí)，D1整流器在直流輸入電壓充電至主線圈的NP的兩端時(shí)被偏振和逆向切斷，因?yàn)榈诙�圈的相位在頂部是負(fù)的，而在底部是正的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為低電平Q1截止時(shí)，將原始NP線圈的兩個(gè)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(chǔ)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(jì)
由于反激式開(kāi)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(jì)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(jì)算時(shí)換成輸入功率用來(lái)計(jì)算磁芯的最大功率；Bm（Gs）磁芯工作的磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)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(jì)算出的Ap值要小于實(shí)際測(cè)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(jì)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(qiáng)度大約du10000GS，截面積大約5cm2，通過(guò)計(jì)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(guò)匝數(shù)比公式計(jì)算，副側(cè)匝數(shù)應(yīng)該為220/10匝。
4.3整流電路設(shè)計(jì)
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(gè)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(gè)周期的時(shí)間內(nèi)把次級(jí)輸出引入到一個(gè)負(fù)載中，具體接法如圖所示，D1/D2導(dǎo)引電電流從上穿過(guò)RL，當(dāng)D3/D4傳導(dǎo)電流在負(fù)半周內(nèi)從上至下穿過(guò)RL時(shí)，則能實(shí)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?yàn)檎麟娐返妮敵鲭妷喊粋�(gè)重要的脈沖部件。為了盡量壓低脈動(dòng)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(guò)濾方式通常使用電容或電感的能量存儲(chǔ)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
4.4PWM控制器設(shè)計(jì)
PWM控制器控制逆變電路開(kāi)關(guān)設(shè)備的斷開(kāi)，通過(guò)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(guò)不同寬度的脈沖改變開(kāi)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(qiáng)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(jì)
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(lì)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(huì)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(shí)現(xiàn)及調(diào)試
5.1系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
在實(shí)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(gè)都是在制作系統(tǒng)的過(guò)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(gè)不同的模塊進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而在焊接的過(guò)程中減少出錯(cuò)的可能性。
圖5-1為該設(shè)計(jì)的反激電路原理圖，主要有三個(gè)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(jì)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(gè)原因，第一個(gè)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(gè)原因是能夠避免自己繞制變壓器出現(xiàn)的各種問(wèn)題。
圖5-1反激電路原理圖
如圖5-2是本次電路設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)的電路圖
圖5-2 開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)電路圖
圖5-3通過(guò)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(kāi)關(guān)管波形
通過(guò)仿真輸入電壓的范圍，檢測(cè)輸出的電壓是否穩(wěn)定，下圖為輸入不同電壓時(shí)的輸出電壓波形，電壓范圍200V、220V、240V。表5-1為電壓測(cè)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(cè)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(guò)流時(shí)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(jì)的實(shí)物，在制作實(shí)物時(shí)由于影響，部分材料無(wú)法購(gòu)買(mǎi)，便使用常用的器件制作了以下實(shí)物，主要包含繼電器、保險(xiǎn)絲、整流橋、穩(wěn)壓管，交流220V電壓經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲至變壓器，經(jīng)過(guò)變壓器將220V市電轉(zhuǎn)換為低壓的交流電，然后通過(guò)整流橋?qū)?2V的交流轉(zhuǎn)換為直流電源，最后通過(guò)LM317將12V直流電壓穩(wěn)定在直流5V電壓，最大電流不超過(guò)2A。
圖5-8實(shí)物圖
檢查整體電路模塊的正常；使用萬(wàn)用表對(duì)電路各個(gè)模塊的電源對(duì)地進(jìn)行測(cè)量，防止電源正和負(fù)發(fā)生斷路，檢測(cè)無(wú)誤后對(duì)設(shè)備上電，使用電壓表對(duì)各個(gè)模塊的管腳進(jìn)行測(cè)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(duì)應(yīng)的電路圖對(duì)照，按順序逐級(jí)對(duì)應(yīng)檢查電路連線。
在變壓的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)頻率的縮小，K是紋波系數(shù)。
然后上電后測(cè)量輸出端電壓確定為5V，實(shí)現(xiàn)了交流220V轉(zhuǎn)5V直流的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)并且在輸出測(cè)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(xiǎn)絲是否熔斷。測(cè)試結(jié)果如表5-2所示：
表5-2電流測(cè)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(wèn)題分析
在調(diào)試讀降壓部分時(shí)，我也遇到了一些問(wèn)題，剛開(kāi)始是不能降壓，無(wú)論更換器件都沒(méi)有反映，檢查了電路板，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，檢查了器件的型號(hào)也沒(méi)有問(wèn)題，為盡快找到問(wèn)題出處我將變壓器單獨(dú)取下，拿萬(wàn)用表測(cè)輸入測(cè)的阻抗，結(jié)果一直是正常，我檢查電路板上輸入側(cè)時(shí)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(méi)有和變壓器的輸入側(cè)連接，在重新對(duì)電路板的各個(gè)管腳進(jìn)行補(bǔ)焊之后，重新接入220V交流電后正常降壓。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)上電后了，檢測(cè)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(hào)也沒(méi)有問(wèn)題，經(jīng)過(guò)逐步排查發(fā)下一個(gè)二極管的方向焊接錯(cuò)誤，將實(shí)物的二極管拆卸下來(lái)重新替換后正常。經(jīng)過(guò)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(jì)要求，此時(shí)的問(wèn)題應(yīng)該在反饋的比例電阻數(shù)值不符，經(jīng)過(guò)重新計(jì)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(jì)是對(duì)過(guò)去知識(shí)的良好鞏固，之前對(duì)模擬電路和數(shù)字電路的知識(shí)有過(guò)基礎(chǔ)的掌握，但在系統(tǒng)的使用之間沒(méi)有掌握實(shí)際的聯(lián)系。通過(guò)這個(gè)畢業(yè)計(jì)劃在理論知識(shí)和動(dòng)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(jì)過(guò)程中選擇適當(dāng)和正確的方法是很重要的。設(shè)計(jì)的開(kāi)始確定好第一步是非常重要的，在設(shè)計(jì)開(kāi)始之前就應(yīng)該尋找信息資料，準(zhǔn)備材料是畢業(yè)項(xiàng)目一個(gè)良好的開(kāi)端是成功的一半。在圖書(shū)館、書(shū)店和文獻(xiàn)室是一種非常好的方式，但也有一些缺點(diǎn)，比如時(shí)間不受控制。不管怎樣在審查數(shù)據(jù)時(shí)，有必要逐案記錄這些數(shù)據(jù)，以便加以使用。通過(guò)這一過(guò)程，就會(huì)積累了大量的信息，可以更好地理解這個(gè)主題，這是對(duì)這些主題的更深入分析的基礎(chǔ)。有了研究方向，前三個(gè)步驟已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，就需要開(kāi)始實(shí)際操作。從每一個(gè)小模塊中測(cè)試可以避免過(guò)多的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)，一步一步的完成各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，就會(huì)降低設(shè)計(jì)的難度。在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)解決了一個(gè)問(wèn)題緊跟著又會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的進(jìn)行也是伴隨解決不同問(wèn)題的過(guò)程，不管怎么說(shuō)，經(jīng)過(guò)了這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)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(yǔ)翻譯的水平，幫助我獲得諸如實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、分析等研究技能。 |
|
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
