开关电源系统设计.doc
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1、毕业设计(论文)题目开关电源系统设计系(院)自动化系专业电气工程与自动化班级2007级3班学生姓名学号2007090343指导教师职称助教二一一年六月二十日独创声明本人郑重声明所呈交的毕业设计论文,是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。据我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名二一一年月日毕业设计(论文)使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。本人愿意按照学校要
2、求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学校保存学位论文的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立目录检索与阅览服务系统,公布设计(论文)的部分或全部内容,允许他人依法合理使用。(保密论文在解密后遵守此规定)作者签名二一一年月日滨州学院本科毕业设计(论文)I开关电源系统设计摘要随着电力电子技术的发展,电子设备的种类越来越多,电源在各个系统中的核心作用日趋明显。另外,电子设备的小型化和低成本化促使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。基于这个思想设计了一款低功率易控制的开关稳压电源,以满足小型电子设备的供电需要。系统的实现是基于PWM波控制
3、下的DCDC转换原理。系统以单片机MSP430F169为控制核心,采用SG3525PWM脉宽控制器实现对BOOST升压斩波电路稳压输出。系统硬件部分主要包括整流滤波电路、BOOST斩波电路、PWM波形产生与控制电路、采样电路、保护电路、单片机最小系统等。软件包括键盘控制模块、A/D电压和电流采集模块、调整模块、显示模块等几个部分。系统能够实现电压输出在3036V范围内可调,输出电流最大可达2A,电压调整率小于3,效率达837。系统具有电压键盘设定和输出显示功能,同时具有过压、欠压和过流保护功能。关键词开关电源,单片机MSP430,PWM控制芯片,DCDC变换滨州学院本科毕业设计(论文)IISW
4、ITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFTHEPOWERELECTRONICTECHNOLOGY,THEKINDSOFELECTRONICEQUIPMENTHAVEBEENMOREANDMORE,POWERSUPPLYSCOREROLEINEVERYSYSTEMHASBECOMEINCREASINGLYOBVIOUSINADDITION,THEMINIATURIZATIONANDLOWCOSTOFELECTRONICEQUIPMENTTURNPOWERTOTHEDIRECTIONOFLIGHT,THIN,SMALLAND
5、HIGHEFFICIENTBASEDONTHISIDEA,THEDESIGNHASDESIGNEDALOWPOWERANDEASYCONTROLLEDSWITCHINGPOWERSUPPLYTOMEETTHEPOWERSUPPLYNEEDSOFSMALLSCALEELECTRONICEQUIPMENTSYSTEMIMPLEMENTATIONISBASEDONTHEDCDCCONVERSIONPRINCIPLEWHICHISUNDERTHECONTROLOFPWMWAVESSYSTEMTOSINGLECHIPMICROCOMPUTERMSP430F169ASTHECONTROLCORE,USIN
6、GSG3525PWMPULSEWIDTHCONTROLLERTOACHIEVEBOOSTCHOPPERCIRCUITOUTPUTVOLTAGESTABLESYSTEMHARDWAREINCLUDESRECTIFIERFILTERCIRCUIT,BOOSTCHOPPERCIRCUIT,PWMWAVEFORMGENERATIONANDCONTROLCIRCUIT,SAMPLINGCIRCUIT,PROTECTIONCIRCUITS,THESINGLECHIPMICROCOMPUTERMINIMIZESYSTEMSOFTWAREINCLUDESKEYBOARDCONTROLMODULE,THEVOL
7、TAGEANDCURRENTA/DACQUISITIONMODULE,ADJUSTINGMODULE,DISPLAYMODULE,ANDSEVERALOTHERPARTSSYSTEMCANREALIZEOUTPUTVOLTAGEATTHERANGEOF3036VADJUSTABLE,OUTPUTCURRENTISUPTO2A,VOLTAGEADJUSTMENTRATEISLESSTHAN3,EFFICIENCYOF837SYSTEMHASTHEFUNCTIONOFVOLTAGEKEYBOARDSETTINGSANDOUTPUTDISPLAY,BUTALSOHASOVERVOLTAGE,UNDE
8、RVOLTAGE,ANDOVERCURRENTPROTECTIONKEYWORDSSWITCHINGPOWERSUPPLY,MICROCONTROLLERMSP430,PWMCONTROLCHIP,DCDCCONVERSION滨州学院本科毕业设计(论文)I目录第一章绪论111设计背景和研究目的112设计的主要研究工作113设计目标2第二章系统总设计方案3第三章系统硬件设计431整流滤波电路4311二极管整流桥堆和滤波电容C1的选择4312保护整流桥和减小冲击电流的设计532DCDC变换器设计与器件选择5321电路的工作原理6322器件的选择6323减小开关转换纹波电压设计833采样电路834P
9、WM波形产生与控制电路935驱动电路的设计1036保护电路设计与参数计算12361SG3525自带保护12362保护电路的设计12363继电器保护1337按键与显示电路14371按键输入模块设计14372显示模块设计1438单片机最小系统14滨州学院本科毕业设计(论文)II381电源15382复位电路15383晶振15384简易仿真器JTAG下载线15第四章系统软件设计1741主程序流程图设计1742各个子模块流程图设计18421键盘控制模块18422电压和电流采集模块19423对输出信号的调整模块19424显示模块2043各个模块的C语言程序编写21431键盘程序21432电压电流采样程序2
10、2433对输出电压的调整程序23434显示程序24第五章结论26参考文献27致谢28附录29滨州学院本科毕业设计(论文)1第一章绪论11设计背景和研究目的随着电力电子技术的发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,任何电子设备都离不开可靠的电源,他们要求电源提供长期稳定的电压,而市电电压的不稳定又使传统电源难以实现输出电压长期稳定的功能,开关稳压电源由于其输出电压长期稳定而且具有高频率、高功率密度、高效率、重量轻、节约能耗等优点得到了广泛应用。同时,随着电子技术应用的迅速普及,对于电子仪器和设备的要求又有了新的内容在性能上,要更加安全可靠;在使用和操作上,自动化和智能化程度
11、要越来越高;在体积和重量上,要日趋小型化和微型化;在功耗和电磁兼容上,要功率因数大和转换效率高。这样一来,就使得具有众多优点的开关稳压电源显得更为重要了。基于这个思想设计了一个低功率开关稳压电源,以满足小型电子设备的供电需要。12设计的主要研究工作开关稳压电源相对于传统的线性稳压电源具有精度高,体积小,重量轻,效率高等优点,从而逐渐取代线性电源,广泛应用于计算机、汽车、现代化家电、仪表和通信等各个行业。随着脉冲宽度调制(PWM)技术的发展,PWM的控制方式愈来愈多地应用于开关控制器的设计。其特征是电路设计简单,性能稳定,控制型效率高,能够很好的稳定电压幅值1,同时,通过改变脉冲宽度占空比固定开
12、关的频率改善波形,具有良好的抑制输出电压纹波和噪声功能。本设计就是一款基于SG3525PWM控制器的开关稳压电源。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压。220V交流电压经过降压、整流、滤波后,得到18V的直流电压,直流电压经BOOST电路升压再滤波得平滑的直流输出。单片机根据采样所得电压与键盘输入电压调整输出信号,对SG3525进行控制生成PWM信号从而驱动功率开关管工作,实现输出电压的稳定。同时本设计还采用MSP430单片机作为控制器,来实现对输出电压的设定调整和滨州学院本科毕业设计(论文)2电压电流的显示,MSP430单片机内部多个具有高、
13、中、低速的时钟源,可以灵活地配置给各模块使用而且可以工作于多种低功耗的模式,极大地降低了控制电路的功耗,提高整体率;430F169有ADC12模块能够实现12位高精度的模数转换、硬件乘法器、直接存储器访问控制器(DMAC),使得整个电路不需要任何扩展就能完成对电源输出电压、电流的实时采集,电路结构极为简单。系统的设计包括软件和硬件两部分。系统硬件部分主要包括整流滤波电路、BOOST斩波电路、PWM波形产生与控制电路、驱动电路、采样电路、保护电路、键盘控制和显示电路、单片机最小系统等。软件采用C语言编程,整个程序包括的子模块有键盘控制模块、A/D电压和电流采集模块、对输出电压的调整模块、LED显
14、示模块等几个部分。13设计目标系统能够实现输出电压在3036V范围内可调,输出电流最大可达2A,电压调整率小于3,效率达837,输出噪声纹波电压小于01V。通过键盘能对输出电压进行键盘设定和步进调整,并通过LED显示器件显示电流和电压值,同时具有过压、欠压和过流保护功能,排除故障后,电路能自动恢复为正常状态。滨州学院本科毕业设计(论文)3第二章系统总设计方案本设计以单片机MSP430F169为控制核心,以SG3525为PWM信号产生与控制芯片制作开关稳压电源。系统主要由隔离变压器、整流滤波电路、DCDC变换器、PWM波形产生与控制电路、保护电路和电压电流采样电路、显示电路等组成,系统框图如图2
15、1所示。220V交流电压经降压、整流、滤波得比较稳定的18V直流电压,直流电压经BOOST电路升压再滤波得平滑的直流输出。单片机从键盘输入设定信号,并根据采样电压对单片机输出电压进行调整,通过单片机的D/A转换对SG3525进行控制生成PWM信号,该信号经驱动电路驱动功率开关管MOSFET工作,并利用SG3525内部的比较器实现输出电压的稳定。对输出电压与电流的采样利用MSP430F169单片机的12位A/D转换模块实现,信号返回单片机后经过处理在MSP430F169单片机的I/O口送给LED进行电流与电压的显示。当输出电流大于保护设定值时产生过流保护信号,保护电路的比较器LM311输出高电平
16、,一方面封锁PWM信号,使PWM不输出,控制场效应管关闭;一方面过流信号驱动继电器动作切断主电路,等故障消除,比较器输出低电平,电路自动恢复正常工作。隔离变压器整流滤波继电器DCDC变换器保护电路负载220VAC18VAC电流采样过流驱动电路PWM产生与控制(SG3525)A/D转换单片机MSP430D/A转换LED显示键盘输入电压采样滤波封锁PWM信号图21系统框图滨州学院本科毕业设计(论文)4第三章系统硬件设计系统的硬件部分主要包括整流滤波电路、BOOST斩波电路、PWM波形产生与控制电路、驱动电路、采样电路、保护电路、键盘与显示电路、单片机最小系统等。各部分的设计如下所述。31整流滤波电
17、路整流滤波电路是将输入220V、50HZ的交流电压变换成经过滤波后有脉动的直流电压。通常采用容性负载整流电路2,如图31所示。整流滤波之前先用隔离变压器对220VAC进行降压,产生18VAC。隔离变压器的初级和次级分别是独立绕组,可以去掉电网三次谐波和减少干扰信号进入稳压电源,同时防止非线性电源的电流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染,若负载不平衡,也不影响稳压电源的正常工作。1234DL1C1220VAC18VDCR1整流桥U1U2U018VACI1I2图31整流滤波电路本设计要求整流输入电压为118UVAC,可由经验公式计算2U11121U198216V(31)由于该开关电源的最
18、大输出电流为2A,现设定整流输出电流为I225A。311二极管整流桥堆和滤波电容C1的选择采用的二极管其最大的整流电流必须大于输出电流的一半即MAX205DII,故选用15A的集成桥堆来作为整流器件。每个整流二极管的平均电阻近似为05DR,隔离变压器的内阻包括次初级损耗和次级线阻,可以用经验公式计算3滨州学院本科毕业设计(论文)5444020002222160150150150492521625TUURIUIIUI(32)故整流器的内阻约为2049205149STDRRR(33)整流电路的负载22221686425URI(34)则2149017864SRDR(35)对于容性负载桥式整流电路,当
19、01D,纹波电压U较小时可以得到2112RC(36)因此滤波电容C1可以用如下的关系式估算1124423100864CF(37)选取13300CF,耐压50V的电解电容即可。312保护整流桥和减小冲击电流的设计保护整流桥设计本设计中存在滤波电容1C,且其值较大,滤波电容越大,二极管的导通角越小,流过二极管的电流峰值就越大,其值很容易大于10A。因为整流桥的耐流能力为10A,所以很容易被烧毁。为解决这一问题,本设计在整流桥后面串入电感1L,因为电感有一定续流作用,而使二极管导通角变大,从而减小二极管电流峰值以保护整流桥。减小开机时冲击电流设计开机时整流桥后的滤波电容呈瞬时短路状态,所以开机存在较
20、大冲击电流,为了减小冲击电流对电路的损坏,本设计在整流桥前串联负温度系数热敏电阻1R4。原理是,开机时1R温度较低而呈现很大电阻,所以开机电流不会很大,随着电路接通,1R发热电阻逐渐减小,所以正常工作时1R上电压降很小,不会影响电路正常工作。32DCDC变换器设计与器件选择本系统改进的BOOST升压斩波电路如图32所示。滨州学院本科毕业设计(论文)6D1DL2QCC3RRC2U2UBDC负载U3PWM波输入图32BOOST斩波电路321电路的工作原理功率开关V处于导通期间时,输入电压2U加到储能电感2L两端,充电电流基本恒定为2LI。二极管1D截止,电容2C向负载R供电。因2C值很大,基本保持
21、输出电压0U为恒值。流过电感2L上的电流L2I为近似上升的锯齿波电流,并以磁能的形式储存在电感2L中。在此期间,储能电感2L中积聚的能量为22LONUIT(38)当功率开关管截止时,储能电感2L两端的电压极性相反,此时二极管1D被正向偏置而导通,输入电压2U和存储在储能电感2L中的能量通过二极管1D传输给负载电阻R和滤波电容2C,储能电感2L中的泄放电流L2I是锯齿波电流的线性下降部分。在此期间,2L释放的能量为022LOFFUUIT(39)当电路达到动态平衡时,一个周期T中,在储能电感2L中积聚的能量与释放的能量相等,从而给负载电阻R提供一个稳定的输出电压。于是得到022OFFTUUUT(3
22、10电感储能后使电压泵升,同时电容使输出电压保持稳定,从而得到输出端电压高于输入端电压5。故称该电路为升压斩波电路。322器件的选择(1)功率开关Q的选择6由图32可以看出,功率开关Q上所承受的最大电压也就是功率开关Q截止时所承受的电压2U,又从输入电压与输出电压间的关系得到201DUUDONTDT(311)滨州学院本科毕业设计(论文)7又考虑到输入电压有波动,储能电感2L上的反峰尖刺电压为稳定值的20,取其工作电压为80的额定电压值,而且选择功率开关Q时要留有一定的富余量,这样就可以得到所要选择的功率开关Q的漏极电压额定值001651DSDUUD(312)本设计中2U为18V直流电压,输出电
23、压0U最大为36V,可以算得功率开关Q的额定电压为40V。功率开关Q的额定电流(漏极直流电流)由经验公式得001251DDIID(313)本设计要求最大输出电流0MAXI为2A,所以功率开关Q的额定电流选25A。(2)二极管D1的选择功率开关Q导通期间,二极管D1因反向偏置而截止,此时二极管D1所承受的电压为输出电压0U,又考虑到20的裕量,二极管D1反向耐压应为01251253645DUUV(314)二极管D1正向导通电流为012521DIDIAD(315)二极管D1正向导通功率损耗为021DSIDPUD(316)SU为二级管的正向导通管压降,所以应选择具有非常低的正向导通管压降的肖特基二极
24、管。(3)输入电感2L选取整流输出电压的大小为18V,输出电压0U范围为3036V,由临界电流公式200B2S12FUIDDL(317)选择SF为20KHZ,当13D时,临界电流有最大值00BM2S227FUIL(318)要使电感电流连续,则最小负载电流应大于0BMI,由此解得滨州学院本科毕业设计(论文)8020BMS2236133M27F272001ULHI(319)取2L为2MH。(4)输出滤波电容2C的选取由输出纹波电压00FSDUURC(320)负载电阻R取15,由此可计算滤波电容2C的大小,经计算,此处取2C为4700F。323减小开关转换纹波电压设计功率开关管从导通到截止或从截止到
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