重庆专业网站搭建公司,国外做农产品有名的网站,怎么上传文件到ftp网站,在外国做玄幻小说网站1 前言 1.1课题研究意义 开关电源顾名思义#xff0c;开关电源便是使用半导体开关器件#xff08;如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等#xff09;#xff0c;经过控制电路#xff0c;使半导体开关器件不停地“导通”和“关闭”#xff0c;让半导体开关器件对输入的电压…1 前言 1.1课题研究意义 开关电源顾名思义开关电源便是使用半导体开关器件如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等经过控制电路使半导体开关器件不停地“导通”和“关闭”让半导体开关器件对输入的电压进行脉冲调制从而完成直流到交流、直流到直流电压变换和输出电压可调和自动稳压。 开关电源一般有三种工作模式频率、脉冲宽度固定模式频率固定、脉冲宽度可变模式频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于直流交流逆变电源或直流/直流电压变换后面两种工作模式一般用在开关稳压电源。另外开关电源输出电压也有三种工作式样直接输出电压的方式、平均值输出电压的方式、幅值输出电压的方式。同样的前一种工作方式经常用在直流/交流逆变电源或直流/直流电压变换后两种工作模式经常用于开关稳压电源[1]。 1.2研究现状及存在问题 近半个世纪以来国内外学者对开关电源进行了很多的研究取得了很多的成果。 1.2.1国外研究现状 上个世纪的50年代初美国宇航局为了搭载火箭开关电源诞生了这便是开关电源诞生的起源此开关电源以小型化、轻巧化为目标。在历史进程中进行了近半个多世纪后开关电源技术越来越成熟更因具备了性能稳定、小、发热较低、轻、转换效率高等优点慢慢的在取代了传统电源技术下所制造的不间断工作电源并在电子设备等各领域有了广泛的应用。最终在80年代率先完成了大部分电子产品的电源换代同时也完成了全面开关电源普及化。在到来的20世纪90年代开关电源更是进入了快速发展的黄金时间家电、电子设备都得到更广泛的应用。又经历了几十年的努力下现在的开关电源技术都有了技术性的重大突破与发展。更多新技术的发现与开发将当代开关电源又带上了另一个全新的时期在高新技术领域的应用更是推动了高新技术产品的发展其中以其小型化、简便化的特征尤为突出。 1.2.2国内研究现状 国内学者有关开关电源的研究有以下研究状况 伴跟着开关电源的诞生1960年代初期我国开始对开关稳压电源进行的设计研制并加以生产。直到60年代中期才开始慢慢地进入了实用的阶段。在对开关电源有了一定认识后我国在70年代初期便试着开始对无工频降压变换器进行深入研究应用在开关稳压电源上继而对其进行设计、研制和生产。最终在1974年我国第一台工频降压变压器式的开关电源被研发出来了输出电流是5v工作频率是10KHz。跟着我国开关电源的向前发展我国许多研究所、工厂等在近十年发展中也纷纷研制出来了无工频降压变换器的开关稳压电源这种开关电源的工作频率大概在20K左右输出的功率在1000W以下但是其型号与用途众多都投入电子设备、电视机、通信等领域进行广泛的使用。跟着时期的发展因为我国半导体与工艺跟不上时期的潮流导致了自己生产与研制的开关稳压电源的关键元器件大部分仍要经过国外进口导致当代开关电源技术与一些先进国家相比仍存有巨大的差距。 1.2.3目前存在的问题 综上所述目前国内外学者研究的开关电源普遍存在以下四大方面的问题 1多数使用模拟IC控制控制式样不够智能化 2不能显示输入和输出的电流电压状况 3多数开关电源为固定输出 4可调的开关电源只能通过电位器模拟调整不能直接得到准确的预设电压。 1.3研究内容和方式 为了设计一种更加智能化的开关电源必须进行更深入的开关电源机理研究下文字阐述了具体的研究内容以及研究方法。 1.3.1研究方案 设计出一种基于STC系列51单片机的BUCK型直流降压开关电源是本课题所要研究的主要内容。本系统需要达到的预期目标是在系统完成后系统能预置电压其步进的电压为1V输出的电压的限度为0V~10V输出电流为0~1A。同时液晶显示屏上可以显示出所预置的电压另有实时的输入输出电压实时的电流来使得本系统可以让调整速度加快、提升精准度同时也能使得电压和负载的调整率降低提升系统的效率不在附加额外的电源板最后还可以让输出的纹波变小等。 1.3.2内容安排 1.              首先了解课题研究的意义和国内国外相关发展动态。 2.              大致的概述设计的开关电源的系统方案。 3.              系统的硬件设计包括输出电路直流斩波电路PWM发生电路显示电路设计等。 4.              系统的软件设计对应用的编程软件进行流程图讲解对所用方式进行概述所。 5.              系统调试与测试对做好的机开关电源进行调试与数据测试并对结果进行分析。 6.              最后简要的总结本系统设计的工作要点和所得收获。 2系统分析 2.1 系统论述 直流/直流变换是将固有的直流电压转换成可调整的电压又叫做直流斩波。它有多种拓扑结构本系统应用的是BUCK(降压式变换电路)型直流/直流其特征是输出的电压比输出电压低。如图2-1所示。 图2-1 BUCK电路拓扑 2.2 Buck工作原理 当Mos管或者三级管导通很长很长时间后所有的元器件均处在一种理想状态的情况下此时电容的电压会等于输入的电压。在这样的条件下我们使用BUCK变换器的充电和放电这两个阶段来对这个电路进行说明 2.2.1在电感充电的情况下 当BUCK变压器处于充电的过程时将开关闭合此时三级管处于导通的状态可以用一条导线来替代替代后的等效图如下。当输入的电压经过电感这时刻二级管因为反接所以没起到作用这里删去。再加上输入的是直流因此电感发生的电感电流是成比率上升的具体上升多少与电感的大小有关系电感相当于一个恒定电流源起传递能量作用电容等于恒定电压源在电路里起到滤波的作用。BUCK变换器充电阶段等效图如图2-2所示。 图2-2  BUCK变换器充电阶段等效图 2.2.2在电感放电的情况下 当BUCK变压器处于放电的过程中开关管子已经断开此时的三级管处于截止状态这里把它拿掉等效电路图如下。在开关断开的时间里因为电感的保持电流不变特征电感上的电感电流不会一下子下降到零而是把充电完成后所累积的电流值慢慢下降到0。在这个过程中因为原来的电路已经断开了因此电感沿着之前的方向经过二极管D形成一个新的回路的即流过电容对电容进行充电从而保证了负载端获得连续的不间断的电流。BUCK变换器放电阶段等效图如图2-3所示。 图2-3  BUCK变换器放电阶段等效图 综上所述BUCK变换器的升压过程便是电感能量储存和释放的过程。在充电的过程时。电感通过流过它自身的电流不断储存能量在放电的过程时假如电容容量足够大那电容的两端就可以在放电的过程中保持一个持续不间断的电流放电假如这个通断的过程不断的被重复那么就可以够让电容两端的电压低输出的电压从而完成降压的目的。 2.3 Buck波形分析 波形如下所示。 导通时Q电流 闭合时C电流 L的电流和输出电流的关系 输出电压与输入电压的关系    2.4 Buck稳压分析 本设计采用串连型开关电源其稳压原理框图如图2-4所示。在MOS管导通的时刻电感L将流过的电流转换成磁能进行能量储存电容C将流过电感L的部分电流转换成电荷储存。在MOS管关断的时刻电感L发生反向电动势输送给负载R并与续流二极管D组成回路同时电容C将电荷转换成电流向负载供电。 经过不断导通与关断MOS管使uo发生脉动电压经过LC滤波电路使脉动电压转变成较稳定的直流电压Uo输送给负载输出电压Uo的电压值与MOS管在一个周期内导通的时间成正比。当外部因素使输出电压或电流发生变化时经过单片机自带的10位ADC实时采集输出的电压和电流实时调整开关K导通的占空比从而组成闭环电压控制电路使输出电压能达到稳定。 图2-4开关电源模块稳压原理 2.4.1  LC滤波电路参数推导 采用输入电压25V输出电压最大为10V根据推导公式如式2-1所示此中Ton为PWM一个周期内导通时间、Ui为输入电压、Uo为输出电压、Ud为肖特基二极管的电压降约等于0.6V、Io为一个直流/直流模块的输出电流。 (2-1) PWM的占空比为D: (2-2) 代入数据后得到 (2-3) 一般而言开关电源的频率越高电感的感量可以越小效率也可以越高。此单片机能输出的PWM最高频率为47KHZ所以本设计选择让单片机输出47KHZ的PWM。那么f47Khz导通时间Ton为 (2-4) 电感量L为 (2-5) 因此将各参数代入式2-5得式2-6 (2-6) 计算得到32uH电感这里采用5倍以上余量采用150uH的电感可降低电感温度。另外本设计采用铜线和磁芯做成的电感以增大电感的储能能量提升供电的效率。 按照串连型开关电源的电容推导公式如式2-7所示此中C为电容容量、Io为一个模块个输出电压、△Up-p为输出纹波电压T为PWM一个周期的时间。 (2-7) 输出电压最大为10V我们设定纹波电压为0.1V,将各参数代入式2-7得式2-8结果 (2-8) 本设计采用2个1000   的电容达到降低纹波电压的目的。 2.5小结 综合以上的分析论证本单片机的开关电源设计采用BCUK拓扑经过原理分析和认证最终推导选择了合适的电容和电感。 3硬件设计31总统框架 基于单片机的开关电源设计由STC单片机、变压器整流滤波电路BUCK主回路、降压稳压电路、按键电路、液晶电路、电压检测电路、电流检测电路等组成。总体设计框图如3-1图所示。下面分别论证这些方面的详细方案选择。 图3-1总体设计构架图 32各部分电路的选择3.2.1  单片机 STC12C5A60S2单片机在指令代码的方面可以完全兼容传统8051,同时它的速度比传统的8051单片机要快8-12倍体现了其高速度的一面。这系列单片机其里面有专用的集成复位电路另有8路高速的10位ADC转换同时还兼有2路的PWM等它的功能之强大远超传统的8051系列。 图3-2 STC12C5A60S2单片机实物图 3.2.2  IR2104半桥驱动电路 IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理。上电时电源流过快恢复二极管D向电容C充电C上的端电压很快升至接近Vcc这时假如下管导通C负级被拉低形成充电回路会很快充电至接近Vcc当PWM波形翻转时芯片输出反向电平下管截止上管导通C负极电位被抬高到接近电源电压水涨船高C正极电位这时已超过Vcc电源电压。因有D的存在该电压不会向电源倒流C此时开始向芯片里面的高压侧悬浮驱动电路供电C上的端电压被充至高于电源高压的Vcc只要上下管一直轮流导通和截止C就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电使上管打开的时刻高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。采用该芯片降低了整体电路的设计难道只要电容C选择恰当该电路运行稳定。IR2104应用电路图如3-3所示。 图3-3 IR2104应用电路图 3.2.3  电路供电电源的选择 线性降压芯片7805。这个稳压IC需要的外围元件很少IC内部还有过流、过热及调整管的保护措施不但价廉且输出电压很稳定。78系列的稳压集成块要考虑输出与输入压差带来的功率损耗所以一般输入输出之间压差要大于2V。其应用电路图如图3-4所示。 图3-4  7805应用电路 3.2.4  电流检测电路 方案一霍尔电流传感器。电流流过霍尔传感器的线圈发生磁场磁场随电流的大小变化而变化磁场汇集在磁环内霍尔元件输出跟着磁场变化的电压信号。经过检测电压值能得到电流的大小。 方案二电阻分压检测电路。经过在输出回路中串连采样电阻将经过电阻的电流转换成两端的电压经过检测电压值从而获得电流值。该检测方式电路和程序控制都比较简洁。 要完成对输出电压和电流的闭环控制务必对输出电流和电压进行采样反馈。本设计采用如下图所示的电流电压检测电路。为了便于MCU采集分压电阻发生的电压经过由LM358组成的同相比例放大器放大后输入到MCU的ADC端口。 LM358内部集成的是双运放单电源和双电源都能使其工作。 图3-5 Lm358引脚图及引脚功能 要完成对输出电压和电流的闭环控制务必对输出电流经过运放放大后进行采样反馈。本设计采用如图3-6所示的电流检测电路。 图3-6 电流检测电路 输出最大电流为2A。本设计采用电阻分压的式样对输出的电压进行实时检测因为采样电压直接输送给单片机10位ADC进行检测单片机供电电源为5V所以其内部自带的检测的最高电压也为5V 这个电路中LM358由5V电压供电最大输出电压和供电电源电压之前有1.2V压差所以能输出最大电压为 (3-1) 2A电流经过0.02Ω电阻得到的电压为 (3-2) 该电压要经过放大后才能更容易被单片机检测到在这个应用中运放的放大倍数应该小于 (3-3) 这里选择R12和R10为33K和1K放大倍数为 (3-4) 因为      , 符合设计要求。 即当电流为2A时运放输出电压为 (3-5) 3.2.5  电压检测电路 输入电压最大为10V而单片机的采样电压最高位5V故电压采样电阻比例应该小于 (3-6) 这里取R1和R5是47K 和10K (3-7) 因为   1   2,所以满足条件。 当10V输出时单片机检测到的电压是 (3-8) 电压分压检测电路如图3-7所示。 图3-7 电压检测电路 3.2.6  按键电路 目前单按键这种模式的键盘使用方便响应的快并且接口还简洁。综合以上本系统采用的是非编码式键盘。本系统设计应用了3 个按键按照软件来定义它的功能键盘与单片机的P2.3、P2.2、P2.1键盘是若干按键的集合,是向系统提供操作人员干预命令的接口设备。 S1为开关按键按一下即有输出按第二下即输出停止如此循环 S2为输出电流增加。 S3为输出电压减少。 如图3-8所示 图3-8 按键电路 3.2.7  液晶显示模块 系统采样1602液晶显示。液晶驱动电流较小能显示较大信息量无需增外设电路。 能显示多行数据方便用户进行更多的操作。 能显示输入输出的实时电压输出的实时电流预设的输出电压。如图3-9所示 图3-9 1602液晶显示 33小结 综上所述本开关电源设计采用STC12C5A60S2单片机发生47KHZ的PWM脉冲信号经过IR2104控制MOS从而控制整个BUCK降压式变换电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值并由此调整输出的PWM的占空比形成电流电压闭环控制系统。按键能设置输出电流从0.2A到2A以0.01A递增输出最大10V液晶能显示实时输出电流与电压。总体电路图如3-10所示。 图3-10 总体电路图 4软件设计 51的语言主要有汇编和C两种。汇编虽然运行快但是编程繁琐移植性差C具备良好的可读性和移植性。本系统采用C语言编写程序Keil C51作为集成开发环境。 41电压电流双闭环控制算法设计 由于题目要求输出电压在10V以内输出电流应该在0.2~2A以内所以应该具有如下C-V曲线特性在电流和电压的双闭环控制中。 使得输出电流在2A范围内电压在10V范围内 控制模式如下 电流 电压 PWM 条件 2A 10V 10V -- 2A 10V -- 10V -- 软件设计包括主程序设计按键子程序设计ADC中断程序设计 42主程序程序设计 主程序主要处理对时间要求不敏感的数据例如按键检测和显示电压电流状况 此中显示这些数据时刻采用数字平均滤波算法采集50个数据继而取平均值使得到的数据更加接近真实状况使得显示出来的电压和电流不会乱跳抗干扰能量得很大的提升。 43按键子程序设计 按键子程序中按加键的话增加输出电压预设按减键的话降低输出电压预设按开关键的话能控制IR2104的工作与否从而控制整个BUCK的工作与否。 44  ADC中断程序 ADC中断程序中因为有输入电压输出电压输出电流这3个数据要监测所以采用通道轮流询问的办法完成。 于此同时要完成电流电压检测的双闭环的话要在ADC程序中加入PWM处理程序使得当输出负载变动引起检测到的输出电压ADC值变动PWM需要实时响应这个变化所以在ADC程序中要加入PWM的重装数据的语句。 45  关键程序 void ADC_interrupt()interrupt 5                            //ADC转换完后ADC_FLAG由硬件自动置位 {                                                       uint ADC_value;                                                        //ADC转换结果              10位 ADC_CONTR!ADC_FLAG;                                             //clear ADCflag ADC_value(ADC_RES2)ADC_RESL;                                                           //              ADC_value(ADC_RES2)ADC_RESL; switch(channel) { case 0:              Battery_voltageADC_value;             channel1;                                                                      break; case 1:              Boost_Buck_currentADC_value; if(!lock) {                                                       if((Boost_voltage370)(Boost_Buck_current(OUT_Current1))) //((Boost_voltageboost_temp)[ size][ p][p20, null, left][size12pt] {[ pwm_temp--;[ if(pwm_temp250)  PWM_temp250;             } CCAP1H CCAP1L PWM_temp; } channel2;                            break;                                                       case 2:Boost_voltageADC_value; channel0; break;             default:break; } ADC_CONTR0xE8|channel; ADC_ready1;                            } STC12C5A60S2单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值并由此调整输出的PWM的占空比形成电流电压双闭环控制系统。按键能设置输出电流从0.2A到2A以0.01A递增输出最大10V液晶能显示实时输出电流与电压。 5系统测试51实物图片 实物由万用板手工焊接板子的正面a和背面b如图5-1所示。 a板子正面                         b板子背面 图5-1 总体电路图 52电压调整率测试 电压调整率来源于电源在满载时其输出电压因该电源的供电电压波动引起的变化是稳压性能优劣的重要指标。 5.2.1  测试仪器 需要测试电源的电压调整率需要直流可调压供电电源要万用表和负载。 可调压电源本实验采用兆信30/5A数显线性电源。如图5-1所示。 万用表深圳胜利VC980数字万用表数量为4个。 负载负载为100W 50Ω的环形滑动变阻器。 图5-2  可调压电源 5.2.2  测试方式 测试示意图 测量电路点如图5-3所示3、4、5、6、7为测量点 图5-3测量电路 测试步骤 第一步在3、4点间用电压表测输出电压,在3、4点串入电流表在5、6点间用电压表测输出电压,在5、7点串入电流表 第二步在1、2点源接入市电 第三步调整可调变压器电阻使电源满载输出 第四步调整稳压电源电压使电压为12V记录输入与输出电压 第五步逐步增大电源电压每隔一段做一次的记录直到输出电压的上限19V。 5.2.3  测试结果 输出输入电压测试结果如下表所示 表5-1 输出输入电压记录表 U2(V) 12.96 13.01 14.04 15.05 16.04 17.01 18.01 19.01 Uo(V) 10.01 9.98 10.06 9.94 10.02 10.06 10.03 10.07 测试条件为输出电压10V输出电流为1.00A 电压调整率推导 (5-1) 5.3  负载调整率测试 负载调整率电源负载的变化会引起电源输出的变化负载增加输出降低相反负载减少输出升高。好的电源负载变化引起的输出变化较小通常指标为3%--5%。 负载调整率是衡量电源好坏的指标。好的电源输出接负载时电压降较小。 5.3.1  测试仪器 需要测试电源的负载调整率需要带隔离低压电源、 万用表、负载和示波器。 可调压电源本实验采用兆信30/5A数显线性电源。 万用表深圳胜利VC980数字万用表数量为4个。 负载负载为100W 50Ω的环形滑动变阻器。 示波器单片机输出的载波频率为40KHZ实 验采用Siglent双通道200M示波器如图5-4所示。         图5-4 Siglent双通示波器 5.3.2  测试方式 测试示意图 测量电路如图5-3所示。 测试步骤 第一步在3、4点间用电压表测输出电压,在3、4点串入电流表在5、6点间用电压表测输出电压,在5、7点串入电流表 第二步在1、2点间接上市电 第三步测试单片机输出的PWM波形、mos管脚的驱动波形。 第四步输入电压为额定值10V输出电流取最小值记录最小负载量的输出电压 第五步调整负载为50%满载记录对应的输出电压 第六步调整负载为满载记录对应的输出电压 测试数据记录如表5-2。 表5-2 不同负载下输出电压记录表 输出电流A 1.00 0.53 0.04 输出电压V 9.995 10.001 9.959 负载调整率推导: 5.3.3  测试结果 把示波器的其中一个探针接到单片机的PWM输出口地接到另外一个端口得到的测试波形如5-5、 把探针放在上下mos管脚G极的驱动波形波形如图5-6所示。 图5-5 单片机输出的PWM波形            图5-6 上下mos管脚G极的驱动波形 5.4  电路效率测试5.4.1  测试仪器 需要测试电源的带载性能及效率需要万用表和负载。 可调压电源本实验采用兆信30/5A数显线性电源。 万用表数字万用表。 负载负载为30W 50Ω的环形滑动变阻器。 示波器单片机输出的载波频率为47KHZ。 5.4.2  测试方式 测试示意图 测量电路如图5-3所示。 测试步骤 第一步在3、4点间用电压表测输出电压,在3、4点串入电流表在5、6点间用电压表测输出电压,在5、7点串入电流表 第二步在1、2点间接入市电 第三步输入电压为额定值18V 第四步调整负载由大至小记录对应的输出电压、输入电流、输出电压、输出电流 第五步返回第四步直到输出电流达到自保护的状态。