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开关稳压电源 编号 E甲0512 学校 青岛大学 学生 刘刚 吴新明 王悦队 指导教师 刘丹 赵岩岭 王贞 目 录 一、方案论证 1 1.1 系统总体方案论证 1 1.2 DC—DC主回路拓扑结构选择及论证 2 1.3 PWM控制芯片的选择 3 二、系统的硬件设计 3 2.1 DC—DC主回路的设计 3 2.1.1 整流桥的选择 3 2.1.2 滤波电容的选择 3 2.1.3 开关管的选择 3 2.1.4 开关变压器的设计 3 2.1.5 快恢复二极管的选择 4 2.1.6 输出滤波器的选择 4 2.2 PWM控制回路的设计 4 2.3 单片机控制电路的设计 5 2.3.1 键盘模块和显示模块的设计 5 2.3.2 语音电路功能的设计 5 2.4 光电耦合电路的设计 5 2.5 电流采集电路的设计 5 三、系统的软件设计 5 四、测试方法 6 五、结论 6 摘 要 本系统通过单片机和PWM控制芯片构成的控制电路和半桥式变换器构成主回路，实现了输出电压可调的开关稳压电源。系统可以通过键盘或步进设定电压值，并可以通过LCD实时显示设定电压、输出电压、输出电流和误差。另外，系统还实现了掉电保护、故障语音报警和故障排除后的自恢复功能。系统主要由低频整流滤波、半桥式变换器、开关变压器、高频整流滤波、PWM控制模块、单片机控制系统、信号采集模块、光电隔离模块等部分构成。该系统输出电压调整范围宽、稳定性高；输出功率高；带负载能力强；性能安全可靠、操作简单、实用性强。 关键字：单片机 PWM控制 半桥式变换器 开关变压器 一、方案论证 1.1 系统总体方案论证 开关电源因为其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点日益得到广泛的应用。目前，国内外开关稳压电源的发展的趋势是不断提高输出效率和输出功率。要提高输出的效率，必须提高电源的开关频率。这就对电路中其它器件的频率特性提出了更高的要求。可控的开关稳压电源重要的设计方案有以下两种： 方案一：基于FPGA的开关稳压电源 根据开关电源的原理，经AC/DC/DC变换过程来实现稳定输出电压的功能。其工作过程如下：市电经隔离变压器降压后，通过整流桥整流，电容器滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换过程；通过由FPGA产生PWM调制波控制开关管的通断，输出高频的直流脉冲，经储能电感平波、电容高频滤波后，输出可调的直流电压。如图1.1所示。 方案二：单片机和开关电源专用PWM芯片相结合的开关稳压电源 根据方案一中AC/DC//DC的设计思路，使用单片机与专用的PWM调制芯片相结合的方式来控制开关管的导通。不断检测电源的输出电压，并将采集的输出电压信号分为两路：一路直接反馈到PWM集成芯片的反馈输入端，构成连续的闭环控制系统；另一路经A/D转换器变为数字信号送入单片机处理。根据电源输出电压与设定值之差，调整D/A转换器的输出，控制PWM芯片，间接控制电源工作。作为辅助的反馈调节。另外，还可以通过对输出电流进行采样，输入到单片机中，实现过流保护。如图1.2所示。 以上两个方案中，方案一使用FPGA使用的是离散数字PWM调制方式，所以输出的PWM的最高频率只能达到25kHz，输出电压纹波较大，影响输出电压的指标，故难以达到设计要求。而方案二采用双闭环控制方式，开关频率达到100kHz，输出电压稳定，纹波成分少，能够达到题目的设计要求。因此，选择方案二。 本系统的原理框图如图1.3所示： 1.2 DC—DC主回路拓扑结构选择及论证 方案一：采用全桥变换器拓扑，如图1.4所示。在全桥电路中，其变压器双向励磁，容易达到大功率，但其结构复杂，存在直通问题，需要复杂的多组隔离驱动电路。另外，使用的开关管多，功率损耗较大； 图1.4 全桥变换器拓扑图 图1.5 半桥变换器拓扑图 方案二：采用半桥变换器拓扑，如图1.5所示。在半桥电路中，对使用的功率开关管耐压要求更低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。更重要的是，半桥电路较之全桥电路使用的开关管要少，损耗更少，在保证满足输出功率要求的前提下，利于效率的提高。 鉴于其优点，选择方案二。 1.3 PWM控制芯片的选择 PWM控制芯片的选择主要考虑输出的PWM信号的频率和幅度，能否达到效率和开启开关管的要求。PWM信号的频率越高，效率越高，并且设计的开关变压器的体积越小。目前比较常用的PWM控制芯片的有TL494和SG3525。 TL494内有两个误差放大器，能同时实现电压模式的控制和电流模式控制，但在本系统中不能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，