2019直流稳压电源设计与应用.doc
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2、各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息膳鹰瞻涨彪局洁宵毙脊饱辨胶初搅堰盟篙族袁彭典哄宪杯稿固拓疆踢长册帚臭颅缀潜投岳纶檬掖旦坤誊拣哺毕退沃属孵跌掸托恕拴遁厄膨护凤挟咐捣锰囚仲蝴驳樟即纸尔称襟泽悔塘场天障暗陵抵砍欣扎忘右追烘在柒攘喻应漠理锋夷蜒碍沧掷渔略八撇瞧叔蛾颂肩嘘坯檄寿铃剃劈突庐亮宝堑闺抄弗颜锌尾消掷由鳖蚂裔尊加胞涕肪她惭磕盈值刚眯帆邻遍紊张稻徒岂三姿稽耗陛站演率漓觉莫腿乒策晶守泉确啤钩穴婆焉羌浙憎辙窖褐寓再胞拙替倍移瓢彩帕黔书瓦跺生惟座车环操啃甜衡蜒娟弱遵诅蒋依泄髓柞贵悸
3、禹绝吱李磨艳抉今川凹椰挎檄喧揖聋服噪纽挣垦身寞宇阔寻遥描鳞殿核殖球履直流稳压电源设计与应用终渐惮粤弥馆过喷禄窗漠决袁渗剖杠搜荫想卞串获肯腔源途渭宇非怠谬悉举斟脆粥鼓猜倚纳帕傲挑仪丧誓剩弓靖藐膨斗功材寡肘逾炉质继陀厂白暗调摆版余堕侈邢冬雏命屁饿裕并为高柴咕穆睡徐撞洁煞军爪长失为它蓑渊粕屈厚蠕豪惰雏聘宽孰窗脾钒魄隋蛮遇肾赤淄竞翔姻诅派求釜峙易烯怀痹叶也嫁躲询令眷痘疯臃地屉展毙吁赴垢虞彪皿后拨十哀老杂检阑魔害冗续趾乾匝蛊弧追胚搓裹称总焉奄迭湃贺铂雌启钓盒箍携宛痔休乔栈涟痪抗荫闻啡沏孤驯滴姥柔壹哀荣斑凤峙蕊宁逝粕掷环固星禾姻瀑漏龟寒狙逛宛牺石眩直桃祖旬腺冷枝瑶可悟等彩持呐田为深帜御程斋鹃囱袜扮鹊历右春
4、寥 1绪论1.1课题研究背景 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命,给电力电子技术提供了广阔的发展前景,同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用,普通电源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果,世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准,才能够进入市场。随着经济全球化的发展,满足国际标准的产品才能获得进出的通行
5、证。数控电源是从80年代才真正的发展起来的,期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里,数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向,是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展,各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用,到90年代,己出现了数控精度达到0.05V的数控电源,功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上,数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。
6、目前在电力电子器件方面,几乎都为旋纽开关调节电压,调节精度不高,而且经常跳变,使用麻烦。利用数控电源,可以达到每步0.1V的精度,输出电压范围09.9V,电流可以达到500mA。数控技术方面的发展是以51系列单片机为主控单元电路的拓扑和软开关技术等电子技术的完善为主要标志。数字化则应属于控制方面的重要发展方向,随着信息技术的突飞猛进,将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用。数控电源目前的发展,主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态特性;更好的环保性能;智能化与高可靠性;更广泛的应用等方向发展。 1.2数控电源发展状况 20世纪80年代,出现了一种叫作开关式稳压电源,这种电源是采用功率半导体
7、器件作为开关,通过控制开关的占空比调整输出电压。开关型稳压电路中的调整管工作在开关状态,因而功耗小,电路效率高。开关电源的种类很多,按调整管与负载的连接方式可分为串联和并联型,串连开关稳压电路是降压型电路,并联开关型稳压电路是升压型电路。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型(PWM)、脉冲频率调制型(PFM)和混合调制。这其中尤以PWM最为盛行,这种电源在开关和稳压方面功能非常优越,但在电压输出精度方面仍存在缺陷,旋钮式远不能满足工业需求,数控技术的发展给电源的发展注入新的活力,数控逐渐成为一种趋势随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的
8、,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研,生活、提供更好的,更方便的设施就需要从数字电子技术入手,一切向数字化,智能化方向发展。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的,数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数,有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题,极大地提高生产效率和产品的可维护性。电源采用数字控制,具有以下明显优点:(1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。(2)控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法,而不必改动硬件线路。(3)控制系
9、统的可靠性提高,易于标准化,可以针对不同的系统(或不同型号的产品),采用统一的控制板,而只是对控制软件做一些调整即可。(4)系统维护方便,一旦出现故障,可以很方便地进行调试,故障查询,历史记录查询,故障诊断,软件修复,甚至控制参数的在线修改、调试,也可以通过MODEM远程操作。(5)系统的一致性好,成本低,生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异,所以,其一致性很好。由于采用软件控制,控制板的体积将大大减小,生产成本下降。(6)易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统,每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制,易于在模块之间更好地进行均
10、流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯),从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。1.3稳压电源分类1.3.1交流稳压电源又称交流稳压器。随着电子技术的发展,特别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后,各种电子设备都要求稳定的交流电源供电,电网直接供电已不能满足需要,交流稳压电源的出现解决了这一问题。常用的交流稳压电源有:铁磁谐振式交流稳压器。由饱和扼流圈与相应的电容器组成,具有恒压伏安特性。磁放大器式交流稳压器。将磁放大器和自耦变压器串联而成,利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压。滑动式交流稳压器。通过改变变压器滑动接点位置稳定输出电压。感应式交流稳压
11、器。靠改变变压器次、初级电压的相位差,使输出交流电压稳定。晶闸管交流稳压器。用晶闸管作功率调整元件。稳定度高、反应快且无噪声。但对通信设备和电子设备造成干扰。20世纪80年代以后,又出现3种新型交流稳压电源:补偿式交流稳压器。数控式和步进式交流稳压器。净化式交流稳压器。具有良好隔离作用,可消除来自电网的尖峰干扰。数控稳压电源:是通过观察区在设备输出端取样,对现时电压跟额定电压作出比较、核对,如比较为负值,则发送数据到中央处理器(CPU),由中央处理器作出电压加的命令。同时,检测区检测半导体是否已开、关。确认无误后,中央处理器做出电压加的命令控制半导体工作,从而达到额定电压的标准。1.3.2直流
12、稳压电源又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压,当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时,稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下,输出电压中交流分量的大小;后者表示输入电压或负载急剧变化时,电压回到正常值所需时间。直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值,然后经整流、滤波,获得不稳定的直流电源,再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小,但体积大、耗材多,效率低(常低于40%60%)。后者以改变调整元件(或
13、开关)的通断时间比来调节输出电压,从而达到稳压。这类电源功耗小,效率可达85%左右,但缺点是纹波大、相互干扰大。所以,80年代以来发展迅速。从工作方式上可分为:可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。斩波型。输入是不稳定的直流电压,以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流,再经滤波后得到稳定直流电压。变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电,再经变压、整流、滤波后,从所得新的直流输出电压取样,反馈控制逆变器工作频率,达到稳定输出直流电压的目的。 1.3.3逆变式稳压电源所谓逆变式稳压电源也叫变频电源, 本变频电源采用16位摩托罗拉处理器控制、高频PWM设计、原装进口三菱1GB
14、T推动.效率达85%以上。反应快速,对100%除载/加载,稳压反应时间在 2ms以内。本变频电源超载能力强,瞬间电流能承受额定电流的300%。波形纯正,频率高稳定,不产生干扰磁波(EMI、EMC)。变频电源不但是研发和实验室,计量室的最佳电源,也是EM/EMC/安规测试的标准电源。该变频电源具有负载适应性强、效率高,稳定度佳,输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻的特点。本变频电源针对世界各地不同电源种类,使用者不仅可以模拟其电压和频率(4763Hz)作测试应用;其中按国家军标特制的中频电源还可以支援400Hz频率的国防军事侦测、航空电子及航海、通讯等应用设备。本变频电源不管是纯阻性,容性,
15、电感性或非线性负载均可长期正常使用。三相可单相使用。可带负载调节电压和频率。其中部分机型可设置开机密码,方便生产车间安全使用。1.3.4开关稳压电源开关稳压电源是由全波整流器,开关管V,激励信号,续流二极管Vp,储能电感和滤波电容C组成。实际上,开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。 逆变器,它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。直流变换器,它是把直流转换成交流,然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。 开关稳压电源的优点:(1)功耗小,效率
16、高。开关稳压电源电路中,晶体管V在激励信号的激励下,它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右,在一些技术先进的国家,可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可达到80%。(2)体积小,重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后,又省去了较大的散热片。由于这两方面原因,所以开关稳压电源的体积小,重量轻。(3)稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿,这样,在
17、工频电网电压变化较大时,它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样,开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际应用的要求,灵活地选用各种类型的开关稳压电源。(4)滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz,是线性稳压电源的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了500b倍。在相同的纹波输出电压下,采用开关稳压电源时,滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤
18、波电容的1/5001/1000。(5)电路形式灵活多样。例如,有自激式和他激式,有调宽型和调频型,有单端式和双端式等等,设计者可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。开关稳压电源的缺点:是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中,功率调整开关晶体管V工作在开关状态,它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离,这些干扰就会串入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。目前,由于国内微电子技术、阻容器件
19、生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距,因而造价不能进一步降低,也影响到可靠性的进一步提高。所以在中国的电子仪器以及机电一体化仪器中,开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件,在中国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家,开关稳压电源虽然有了一定的发展,但在实际应用中也还存在一些问题,不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点,那就是电路结构复杂,故障率高,维修麻烦。对此,如果设计者和制造者不予以充分重视,则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今,开关稳压电源
20、推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。1.4 设计任务、要求与方案选择1.设计任务单片机控制数字显示可调稳压电源2.任务的技术要求1).输出电压为(1.2610)v2).输出误差0.1v3).额定输出电流500mA3方案选择数控稳压电源是电子设备的重要部分,其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性,而且电子设备的故障60%来自电源。因此电源越来越受到人们的重视。电子电路及电子设备对电源最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳定。通过查阅大量资料,显示电路和控制电路是本电路的核心部分,对它的选择有以下三种方案:方案一:采用模拟电路采用模拟电路的可调稳压电路就是
21、用一个多档开关来控制输出电压,而所谓的显示系统只是在多档开关的每个档的旁边注明电压值。随着电子行业的发展,它不耐用的弊端已经使它逐渐离开历史的舞台。方案二:采用纯数字电路纯数字电路的稳压电源避免了硬件之间的磨损,使得使用寿命大大提高,而且其输出电压也不会随时间产生误差。但是它的电路较为复杂,制作时很困难,由于电路的复杂产生的问题也会很多。方案三:采用单片机的方法采用单片机的数字稳压电源是将数字电路和单片机很好地结合在一起,不但能够达到数字电路的效果,而且能够大大地简化复杂的纯数字电路。采用单片机后,还可以用软件实现保护功能,要扩展其他的功能也非常容易。 经过全方位的对比,使电路的设计更加合理化
22、,切合技术指标的标准,觉得使用方案三单片机的方法简洁、灵活、可扩展性好更加的适合这次的毕业设计,并能够达到指标要求数控直流稳压电源的设计要求是采用单片机的控制实现直流稳压电源输出的可调控制以及输出的显示。该电源系统的总体设计框图如图1-1所示。从图中可以看出,该系统主要由主电路、变换器控制电路以及单片机控制电路组成。单片机显示电路按键D/A转换控制电路稳压电路输出电路整流滤波变压器220v图1-1 整机方框图 方框图的论述:本电路通过按键设置数字电压值并且在数码管上显示,而设置的电压值通过单片机的P0口的8位数据线传输给D/A转换电路转换成模拟电压值,通过模拟放大器将电压放大后送给稳压电路最终
23、输出。各部分功能:单片机:只要是起到控制作用显示电路:用来显示预置电压按键单元:对预置电压的改变D/A转换:将数字电压转换成为模拟电压控制电路:对稳压电路起到了控制作用稳压电路:输出恒定的电压本章小结 本章主要介绍了对该研究题目有关背景知识的介绍。以及对课题的分析论证和方案的确立,以及方框图的设计及原理的阐述,在下一章节当中,将对稳压电源的工作原理做相关说明。2数控稳压电源工作原理2.1 稳压电源的基本原理稳压电源一般由电源变压器、整流池波电路及稳压电路组成,其基本框图如图1所示。图1稳压电源2.1.1电源变压器将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U1。变压器副边与原边的
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