200W小功率直流電源設計畢業(yè)論文

1、湘潭大學畢業(yè)設計說明書題 目： 200w小功率直流電源設計仿真研究學 院： 信息工程學院 專 業(yè)： 自 動 化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2010年5月 湘 潭 大 學畢業(yè)設計任務書論文（設計）題目： 200w 小功率直流電源設計仿真研究 學號： 姓名： 專業(yè)： 指導教師： 系主任： 一、主要內容及基本要求設計的主要內容：通過軟件仿真實現(xiàn)小功率直流電源的直流輸出可調。仿真研究采用matlab軟件實現(xiàn)，包括直流電源的交流濾波部分、整流橋、直流濾波部分、直流斬波部分、輸出反饋以及控制電路設計等。 設計的基本要求： 1、輸入交流電壓的有效值：170v275v 2、輸出直流電壓：01

2、85v可調 3、輸出直流電流：01.5a可調 二、重點研究的問題 學會熟練運用matlab/simulink仿真軟件。在直流電源的軟件仿真中的難點在于如何設計好主電路，選擇哪種整流電路，選擇哪種直流斬波器。另外觸發(fā)開關管的控制電路和反饋電路的設計也是軟件仿真的關鍵部分。在仿真電路能實現(xiàn)直流可調的基本功能后，還要考慮如何設計保護電路，如限電壓保護、限電流保護及限功率保護等。從而使整個電路不會長期工作在過載狀態(tài)，以便整個直流電源系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作。 三、進度安排序號各階段完成的內容完成時間1畢業(yè)設計選題2009.122查閱相關資料并編寫開題報告2010.3.1-3.103查閱直流電源設計的相關

3、資料2010.3.11-3.314構建大體的設計草圖2010.4.1-4.105中期檢查及軟件仿真的實現(xiàn)2010.4.11-4.306軟件仿真的調試與完善2010.5.1-5.157設計結果檢查及編寫論文準備畢業(yè)答辯2010.5.16-5.318畢業(yè)論文終稿的確定2010.6四、應收集的資料及主要參考文獻1 李國勇，謝克明編.計算機仿真技術與cadm.北京：電子工業(yè)出版社，2008.128-185. 2 王兆安，黃俊主編.電力電子技術m.北京：機械工業(yè)出版社，2000.1-108. 3 陳永真編.高效開關電源設計與制作m.北京：中國電力出版社，2008.88-142. 4 李金伴，李捷輝主編.

4、開關電源技術m.北京：化學工業(yè)出版社，2005.1-90. 5 倪海東，蔣玉萍主編.開關電源專用電路設計與應用m.北京：中國電力出版社，2002.153-198. 6 黃忠霖，黃京主編.電力電子技術的matlab實現(xiàn)m.北京：國防工業(yè)出版社，2009.152-175. 7 周淵深主編.電力電子技術與matlab仿真m.北京：中國電力出版社，2004.161-18. 8 王翠珍，唐金元.可調直流穩(wěn)壓電源電路設計j.中國測試技術，2006，第32卷(第5期)：113-115. 9 楊鳳彪.基于matlab的大功率直流電源仿真研究j.電氣開關，2008，第4卷(第3期)：37-38. 10 胡君臣.

5、用uc3842芯片設計開關電源j.儀表技術，2006，第3卷(第3期)：79-83. 11 李雷.降壓型dc-dc轉換器的研究與設計c.北京交通大學碩士論文，2009.1-22. 12 脫立芳.降壓型pwm dc-dc開關電源技術研究c.西安電子科技大學碩士論文，2008，1-27. 湘 潭 大 學畢業(yè)設計評閱表學號 姓名 專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）題目： 200w小功率直流電源設計仿真研究 評價項目評 價 內 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料

6、的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評 價田燦同學所做的“200w小功率直流電源設計仿真研究”，選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標，體現(xiàn)了學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，能達到綜合訓練的目的，且難

7、度適中。畢業(yè)設計說明書，文字敘述清楚，方案設計合理、計算正確，符號統(tǒng)一，圖表完備、整潔、正確。體現(xiàn)了該生具有一定查閱文獻、綜合歸納資料的能力和一定的外文與計算機應用能力。評閱人： 年 月 日 湘 潭 大 學 畢業(yè)設計鑒定意見 學號： 姓名： 專業(yè)： 畢業(yè)論文（設計說明書） 38 頁 圖 表 40 張論文（設計）題目： 200w小功率直流電源設計仿真研究 內容提要：隨著計算機、電子技術的高速發(fā)展，電子技術的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。本論文針對以上情況對一種新型的小功率直流電源

8、做了仿真研究。本論文介紹了直流電源技術，分別例舉了傳統(tǒng)的直流電源和新型的開關型直流穩(wěn)壓電源。文中介紹了多種整流電路和多種直流變換器的的拓撲結構及其工作特點，并重點介紹了pwm控制技術以及pwm控制的實現(xiàn)方法。闡述了脈寬調制技術中的電壓控制模式和電流模式的基本原理，并分析了他們各自的優(yōu)缺點。文中也介紹了小功率直流可調電源的電路技術和工作原理。 本文設計了一款基于simulink的可調直流電源，分析了它的系統(tǒng)結構和工作原理。該仿真設計主要由兩部分組成，即主電路和控制電路。在設計過程中重點分析了設計方案是如何選取的。主電路主要包括整流電路和直流變換電路，控制電路是用來控制pwm信號的占空比從而實現(xiàn)輸

9、出可調的電路。依據(jù)設計要求，控制電路中加入了限電壓保護、限電流保護以及限功率保護等環(huán)節(jié)。通過simulink仿真得到了相應的輸出波形，并對仿真結果進行了一定的分析。通過對仿真結果的分析，可以看出仿真電路滿足設計的基本要求。該仿真設計可實現(xiàn)直流電壓輸出0-185v可調，直流電流輸出0-1.5a可調等功能。另外，該仿真設計還具有限電壓保護、限電流保護和限功率保護等優(yōu)點。指導教師評語同學查閱了相關中英文資料，分析了小功率直流電源的工作原理。介紹了pwm控制技術及其實現(xiàn)方法，闡述了pwm控制技術的電壓模式和電流模式基本原理，并采用matlab軟件進行了仿真研究，設計了200w的小功率直流電源，設計結果

10、符合畢業(yè)設計要求。該生基礎理論較好，動手能力較強，對于畢業(yè)設計當中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象能夠及時分析和處理，有一定的綜合運用能力，達到了畢業(yè)設計的要求。同意其參加答辯，建議成績評定為 。指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語同學在畢業(yè)答辯過程中，表述簡明、條理清楚，較好地回答了老師提出的問題。綜合所做畢業(yè)設計和答辯情況，經(jīng)答辯小組研究決定，給予該同學畢業(yè)設計成績?yōu)?。答辯小組組長： 年 月 日答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日目 錄摘要iabstractii第一章 引言11.1 電力電子技術綜述11.1.1 電力電子技術的簡介與發(fā)展史11.1.2 電力電子技術應用及發(fā)展前景21.2 直流電

11、源技術的研究狀況及發(fā)展方向31.2.1 傳統(tǒng)直流電源31.2.2 開關型直流穩(wěn)壓電源41.3 選題的目的和現(xiàn)實意義51.4選題的研究方法及創(chuàng)新之處6第二章 小功率可調直流電源的相關原理72.1 pwm控制原理介紹72.1.1 pwm控制技術72.1.2 pwm控制的基本原理72.1.3 pwm的異步調制和同步調制82.2 pwm控制的實現(xiàn)方法82.2.1 用單片機實現(xiàn)pwm控制82.2.2 pwm集成控制器92.2.3 典型電流型pwm集成控制器uc3842/3/4/5112.3 可調直流電源系統(tǒng)的電路技術132.4 可調直流電源的基本工作原理14第三章 小功率可調直流電源電路介紹與設計163

12、.1 可調直流電源電路介紹163.1.1 整流電路介紹163.1.2 dc/dc變換電路介紹193.2 主電路設計213.2.1 主電路設計方案的選取213.2.2 主電路工作基本原理及主要參數(shù)設定223.3 控制電路設計及工作原理223.3.1 控制電路簡介233.3.2 控制電路的設計及基本工作原理24第四章 系統(tǒng)仿真264.1 matlabsimulink介紹264.2 系統(tǒng)仿真結果274.2.1 主電路仿真波形284.2.2 控制電路輸出波形344.3 仿真結果分析35第五章 論文小結365.1 畢業(yè)設計感言365.2 致謝36參考文獻3739200w小功率直流電源設計仿真研究摘要：由

13、于所有電子產(chǎn)品和家用電器都需要有電源供電，所以電源管理技術變得至關重要。在這樣的前提下，設計高效率，高頻的小功率直流電源，無論是從經(jīng)濟角度還是從科學研究來講都是很有價值的。本文介紹了多種整流電路和多種直流變換器的拓撲結構及其工作特點，并重點分析了pwm控制技術。闡述了脈寬調制技術中的電壓控制模式和電流控制模式的基本原理，并分析比較了它們各自的優(yōu)缺點。本文設計了一款基于simulink的小功率可調直流電源，并分析了它的系統(tǒng)結構和工作原理。該電路包括主電路，pwm控制電路以及限電壓、限電流、限功率部分。通過simulink仿真得到了相應的輸出波形，并對仿真結果進行了分析。關鍵詞：pwm控制技術；s

14、imulink仿真；開關電源；可調200w low power dc source simulation researchabstract：since all the electronic products and electrical home appliances need power supply, power management becomes more important. in this situation, to design a high efficiency, high frequency low power dc source is valuable in the vie

15、w of both economy and research.in this thesis, kinds of rectification circuit and dc-dc converter are introduced first. then the pwm controlling technology is completely analyzed. the techniques with two different methods are classified as: the mode of pulse width modulate, and the difference of con

16、trol signalthe advantages and disadvantages of each method is analyzed and compared.a type of low power adjustable dc source based on simulink is designed and introduced in this article. this dc power source contains the main circuit, pwm controller, voltage limiter, current limiter, power limiter.

17、and the output waves of dc voltage, dc current, dc power based on simulink simulation is completely analyzed. keyword: pwm controlling technology；simulink simulation；switching power supply； adjustable第一章 引言提及直流電源，就不得不提起電力電子技術。因為，現(xiàn)代先進直流電源技術的發(fā)展是以電力電子技術技術的發(fā)展為前提的，所以本章先對電力電子技術進行介紹，再對直流電源技術的研究狀況和發(fā)展方向等進行介紹

18、。1.1 電力電子技術綜述1.1.1 電力電子技術的簡介與發(fā)展史電力電子技術是20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術。電力電子技術是應用于電力領域的電子技術。具體說，就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。通常習慣把電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術兩個分支。如果沒有晶閘管、電力晶體管等電力電子器件，也就沒有電力電子技術，而電力電子技術主要用于電力變換。因此可以認為，電力電子技術的制造技術是電力電子技術的基礎，而變流技術則是電力電子技術的核心。電力電子器件制造技術的理論是半導體物理，而變流技術的理論基礎是電路理論。電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術的發(fā)展起著決定性的作用，因

19、此，電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展基礎的。一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標志。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件，因而屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式。晶閘管的關斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應用受到局限。70世紀后期，以門極可關斷晶閘管（gto）、電力雙極晶體管（bjt）和電力場效應管（power-mosfet）為代表的全控型器件的迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關斷。此外，這些器件的開關速度普遍高于晶閘管，可用于開關

20、頻率較高的電路。這些優(yōu)越性使得電力電子技術的面貌煥然一新，把電力電子技術推到一個新的發(fā)展階段。和晶閘管電路的相位控制方式相對應，采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調制（pwm）方式。pwm控制技術在電力電子技術中占有十分重要的位置，它在逆變、斬波、整流、變頻及交流電力控制中均可應用。它使電路的控制性能大為改善，使以前難以實現(xiàn)的功能也得以實現(xiàn)，對電力電子技術的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。80年代后期，以絕緣柵極晶體管（igbt）為代表的復合型器件異軍突起。igbt是mosfet和bjt的復合。它把mosfet的驅動功率小、開關速度快的優(yōu)點和bjt通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于一身，性能十分

21、優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術的主導器件。隨全控型電力電子器件的不斷發(fā)展，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。同時，電力電子器件的開關損耗也隨之增大。為了減小開關損耗，軟開關技術應運而生，零電壓開關（zvs）和零電流開關（zcs）就是軟開關的最基本形式。從理論上講，采用軟開關技術可使開關損耗降為零，可以提高效率。另外，它也使得開關頻率進一步提高，從而提高了電力電子裝置的功率密度。1.1.2 電力電子技術應用及發(fā)展前景電力電子技術的應用十分廣泛。它不僅應用于一般工業(yè)，也廣泛應用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。以下分三個方

22、面對電力電子技術的應用進行敘述。1.在交通運輸方面，電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的直流機車采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛應用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電動機傳動外，車輛中的各種輔助電源也離不開電力電子技術。電動車靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要很多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。2.在家用電器方面，照明在家用電器中占有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，它正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日

23、光燈。變頻空調是家用電器中應用電力電子技術的典型例子。電視機、音響設備、家用計算機等電子設備的電源部分也都需要電力電子技術。電力電子技術廣泛應用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。3.在電子裝置用電源方面，各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關電源。各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐步取代了線性電源。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電

24、源和變頻交流電源，因此可以說，電力電子技術研究的就是電源技術。在21世紀電力電子技術仍將以迅猛的速度發(fā)展。以計算機為核心的信息科學將是21世紀起主導作用的科學技術之一，這將是毫無疑議的。有人預言，電力電子技術和運動控制一起，將和計算機技術共同成為未來科學技術的兩大支柱。通常把計算機的作用比作人的大腦，那么，可以把電力電子技術比作人的消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。另外，從人類對宇宙和大自然的探索，到國民經(jīng)濟的各個領域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術的存在和巨大魅力。這也激發(fā)了一代有一代學者和工程技術人員學習、研究電力電子技術并使其飛速發(fā)展。可見，電力電子技術在21世紀中將會起著十分重要的作

25、用，將會有十分光明的前景。1.2 直流電源技術的研究狀況及發(fā)展方向1.2.1 傳統(tǒng)直流電源1.晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路電路框圖如圖1-1所示，該電路中，輸出電壓uo經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態(tài)進行調整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓ui發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓為一恒定值(穩(wěn)壓值)。因輸出電壓要求從0v起實現(xiàn)連續(xù)可調，因此要在基準電壓處設計一輔助電源，用以控制輸出電壓能夠從0v開始調節(jié)。圖1-1 串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路是很簡單的，但增加了輔助電源后，電路比較復

26、雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性也難以保證。2.采用三端集成穩(wěn)壓器電路該電路框圖如圖1-2所示，它采用輸出電壓可調且內部有過載保護的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調整范圍較寬，設計一電壓補償電路可實現(xiàn)輸出電壓從0v起連續(xù)可調，因要求電路具有很強的帶負載能力，需設計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。該電路所用器件較少，成本低且組裝方便，可靠性高。圖1-2 集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電源電路圖 3.線性穩(wěn)壓電源電源是各種電子設備必不可缺的組成部分。線性穩(wěn)壓電源具有性能可靠，構造簡單，反應速度快，紋波干擾小等特點，在電路中得以廣泛的應用。目前，雖然各種開關電源得到了很大的發(fā)展但在性能要求較高的模擬電路，如音響

27、電路、高精度測量等電路中，仍然無法替代線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源主要由工頻變壓器、整流電路、線性穩(wěn)壓電路等組成，其結構如圖1-3所示。圖1-3 線性穩(wěn)壓電源結構圖線性穩(wěn)壓電源的主要缺陷，除了工頻變壓器的體積較大外，就是變換效率較低，通常只能達到3560。而變換效率低的主要原因在于線性穩(wěn)壓電路的效率較低。這一方面造成能源的浪費，同時也使線性穩(wěn)壓電路中的電壓調整管上承受較大的功耗，需要使用大面積的散熱片對其散熱，這就進一步加大了線性穩(wěn)壓電源的體積。因此，如何提高線性穩(wěn)壓電路的效率，對于提高線性穩(wěn)壓電源的性能具有重要的意義。1.2.2 開關型直流穩(wěn)壓電源1.開關電源的基本構成開關電源的基本構成如圖1

28、-4所示，其中dc/dc變換器可以進行功率變換，是開關電源的核心部分，此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路檢測輸出電壓變化，并與給定電壓比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調制（pwm）電路，再經(jīng)過驅動電路控制功率器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。圖1-4 開關電源基本構成dc/dc 變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的pwm變換器以及工作波形為準正弦波的諧振變換器。對于串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源，輸出對輸入的瞬態(tài)響應特性主要由調整管的頻率特性決定。但對于開關型穩(wěn)壓電源，輸入的瞬態(tài)變化比較多的表現(xiàn)在輸出端。提高開關頻率的同時，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關電

29、源的瞬態(tài)響應問題也能得到改善。負載變化瞬態(tài)響應主要由輸出端lc濾波器特性決定，所以可以利用提高開關頻率、降低輸出濾波器lc乘積的方法來改善瞬態(tài)響應。2.開關型直流電源的發(fā)展概況及發(fā)展方向21世紀我國通信、信息、家電和國防等領域的電源普遍采用高頻開關電源，相控電源將逐漸被淘汰。國內開關電源技術的發(fā)展，基本上起源于20世紀70年代末和80年代初。當時引進的開關電源技術在高等院校和一些科研院所停留在實驗開發(fā)和教學階段。20世紀80年代中期開關電源產(chǎn)品開始推廣和應用。20世紀80年代的開關電源的特點是采用20khz,脈寬調制（pwm）技術，效率可達65%70%。經(jīng)過20多年的發(fā)展，開關電源技術 有了重

30、大的進步和突破。新型功率器件的開發(fā)促進了開關電源的高頻化，功率mosfet和igbt可使中小型的開關電源頻率達到400khz(ac/dc),或1mhz(dc/dc)；軟開關技術使高頻開關電源的實現(xiàn)有了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了電源效率，國產(chǎn)6kw通信開關電源，采用軟開關技術，效率可達93%；控制技術的發(fā)展以及專用芯片的生產(chǎn)，不僅使電源電路大幅簡化，而且使開關電源的動態(tài)性能和可靠性大大提高；有源功率因素校正技術的開發(fā)，提高了ac/dc開關電源的功率因素既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提供可直流電源的整體效率。從上世紀90年代末起，隨著對系統(tǒng)更高效率和最低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通信

31、設備的技術更新推動電源行業(yè)中dc/dc電源轉換器向更靈活和智能化方向發(fā)展。在80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉向20世紀末更先進的第四代分布式供電系統(tǒng)結構及中間母線結構，dc/dc電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何加入嵌入式智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。90年代中，半導體生產(chǎn)商們就開發(fā)了數(shù)控電源管理技術，而當時，這種方案的性價比與當時廣泛使用的模擬控制方案相比處于劣勢，因而無法被廣泛應用。由于板載電源管理的更廣泛的應用和行業(yè)能源節(jié)約和運行最優(yōu)化的關注，電源行業(yè)和半導體生產(chǎn)商們開始共同開發(fā)數(shù)控電源?，F(xiàn)今隨著直流電源技術的飛速發(fā)展整流系統(tǒng)已由以前的分立單元和集成電路控制發(fā)展為微機控制，從而使直流電源智能化，

32、具有遙測、遙信、遙控三遙功能，基本實現(xiàn)直流電源無人值守。總之，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大勢所趨，也是今后的主要發(fā)展方向。1.3 選題的目的和現(xiàn)實意義隨著計算機、電子技術的高速發(fā)展，電子技術的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電子設備的小型化和低成本化，使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術比較成熟，并且已有大量的集成化線性穩(wěn)壓模塊，具有穩(wěn)定性好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點。但通常都需要體積

33、大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導致調整管功耗較大，電源效率低，一般只有45%左右。另外，由于調整管上消耗功率較大，所以需要采用大功率調整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設備的要求。20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，為搭載火箭開發(fā)了開關電源。在近半個多世紀的發(fā)展過程中，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)的連續(xù)工作電源，并廣泛應用于電子整機與設備中。20世紀80年代，計算機全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代

34、。20世紀90年代，開關電源在電子、電氣設備、家電領域得到了廣泛應用，開關電源進入快速發(fā)展時期。開關型穩(wěn)壓直流電源直接對電網(wǎng)電壓進行整流、濾波、調整，然后由開關管進行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開關工作頻率為幾千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小，因此這種開關型的直流電源具有重量輕、體積小的優(yōu)點。另外，由于功耗小，機內溫低，提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對電網(wǎng)的適應能力也有較大提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍為200v-240v，而開關型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓為110-260v范圍內變化時，都可以獲得穩(wěn)定的輸出電壓。開關型電源能推動高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化，另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)

35、約資源和環(huán)境保護方面都具有深遠的意義。1.4選題的研究方法及創(chuàng)新之處本設計采用的研究方法是matlab-simulink仿真，通過仿真來研究可調直流電源的輸出性能。本設計的創(chuàng)新之處在于設計的可調直流電源是開關型電源，具有高效，輸出連續(xù)可調等特點。另外，仿真設計中還加入了限電壓、限電流、限功率等保護模塊，從而使直流電源系統(tǒng)可以在200w功率范圍內安全穩(wěn)定地工作。第二章 小功率可調直流電源的相關原理2.1 pwm控制原理介紹2.1.1 pwm控制技術pwm（pulse width modulation）控制技術就是對脈沖寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效獲得所需要波形（含

36、形狀和幅值）。直流斬波電路實際上采用的就是pwm技術，這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對占空比進行控制，這是pwm控制中最為簡單的一種情況。pwm控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是pwm型逆變電路?？梢哉fpwm控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才發(fā)展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。近年來，pwm技術在整流電路中也開始應用，并顯示出優(yōu)越性。

37、2.1.2 pwm控制的基本原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖2-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖分別將如圖2-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（r-l電路）上，如圖2-2所示。其輸出電流對不同窄脈沖時的輸出響應波形如圖2-2所示。從圖2-2的輸出波形可以看出，在的上升段，的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性將非常接近，

38、僅在高頻段有所不同。圖2-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形2.1.3 pwm的異步調制和同步調制 在pwm控制電路中，載波頻率fc與調制信號頻率fr之比n=fc/fr稱為載波比。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，pwm調制方式可以分為異步調制和同步調制。1.異步調制載波信號和調制信號不保持同步的調制方式成為異步調制。在異步調制方式中，通常保持載波頻率fc固定不變，因而當信號波頻率fr變化時，載波比n是變化的。同時，在信號波的半個周期內，pwm波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱。當信號波頻率降低是，載波比n較大，一周期內的脈

39、沖數(shù)較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內前后1/4周期脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，pwm波形接近正弦波。當信號波頻率增高時，載波比n減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，pwm脈沖不對稱的影響就變大，有時信號波的微小變化還會產(chǎn)生pwm 脈沖的跳動。這就使得輸出的pwm波和正弦波的差異變大。對于三相pwm型逆變電路來說，三項輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。2.同步調制 載波比n為常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調制。在基本同步調制方式中，信號波頻率變化時載波比n不變，信號波一個周期內輸出的脈沖數(shù)是固

40、定的，脈沖相位也是固定的。在三相pwm逆變電路中，通常公用一個三角波載波，且取載波比n為3的整數(shù)倍，使三相輸出波形嚴格對稱。同時，為了使一相的pwm波正負半周期鏡對稱，n應取為奇數(shù)。2.2 pwm控制的實現(xiàn)方法2.2.1 用單片機實現(xiàn)pwm控制pwm控制可通過單片機來實現(xiàn)。用單片機實現(xiàn)pwm控制時，單片機系統(tǒng)at89s5l單片機為核心控制器，具有電壓可預置、可步進調整、輸出的電壓信號和預置的電壓信號可同時顯示的數(shù)控直流電源，其硬件原理方框圖如圖2-3所示。系統(tǒng)由at89c5l控制電路、鍵盤電路、主電路、da電路、功放電路、短路保護、電壓采樣電路、led顯示電路幾部分組成。系統(tǒng)通過“開關”、“加

41、”、“減”三個按鍵來控制預置電壓的升降，并通過數(shù)碼管顯示。at89s51單片機送出相應的數(shù)字信號，在da轉換之后輸出小電流，該電流信號經(jīng)電流放大后生成能夠驅動主電路的pwm控制信號來控制主電路的直流輸出，同時由led數(shù)碼管顯示輸出電壓值，輸出值經(jīng)采樣電路后反饋給單片機系統(tǒng)，通過反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。圖2-3 單片機pwm控制系統(tǒng)圖2-3所示為單片機pwm控制系統(tǒng)，除單片機外，外部還需要d/a轉換器，電流放大電路，外圍電路相對較為復雜。該以單片機為核心的pwm控制電路雖然功能比較完善，但是對設計者的要求很高。要求熟練at89c51 單片機，并且還要能熟練的編寫程序。單片機程序的編寫與調試是有很大難度

42、的，所以對于一般的設計者，或者輸出要求不是特別精確的直流可調電源，一般不采用單片機控制方式，而選用pwm集成控制專用芯片。2.2.2 pwm集成控制器pwm控制技術主要分為兩種，一種是電壓模式pwm控制技術，另一種是電流模式pwm控制技術。1.電壓模式pwm控制器最初在開關電源采用的電壓模式pwm控制技術，其工作原理如圖2-4所示。輸出電壓uo與基準電壓相比較后得到誤差信號uerror。該誤差信號與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號進行比較，有pwm比較器輸出占空比變化的矩形波驅動信號，這就是電壓模式控制技術的工作原理。由于該系統(tǒng)是單環(huán)控制系統(tǒng)，其最大的缺點是沒有電流反饋信號。由于開關電源的電流都要

43、流經(jīng)電感，因此相應的電壓信號會有一定的延時。然而對于穩(wěn)壓電源來說，需要不斷地調節(jié)輸入電流，以適應輸入電壓的變化和負載的需求，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。因此僅采用采樣輸出電壓的方法，其穩(wěn)壓響應速度慢，甚至在大信號變化時，會因產(chǎn)生振蕩而造成功率管損壞等故障發(fā)生。這是電壓模式pwm控制技術最大的不足。具有代表性的電壓模式pwm控制器主要有tl494、sg3524等。圖2-4 電壓模式pwm控制原理圖2.電流模式pwm控制器電流模式pwm控制技術是針對電壓模式pwm控制技術的缺點發(fā)展起來的。所謂電流模式pwm控制，就是在pwm比較器的輸入端直接用輸出電感檢測信號與誤差放大器的輸出信號進行比較，實現(xiàn)對

44、輸出脈沖占空比的控制，使輸出電感的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以有效地改善開關管電源的電壓調整率和電流調整率，也可以改善整個系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。電流型pwm控制技術有分為峰值電流控制技術和平均電流型控制技術。這兩種控制技術檢測并反饋的是一個導通周期內電流變化的峰值和平均值。峰值電流型控制技術方便、快速，但是需要穩(wěn)定性補償；平均電流型控制技術穩(wěn)定可靠，但響應速度較慢，而且控制起來比較復雜。因此，實際應用當中，峰值電流控制模式比平均電流控制模式應用更為普遍。電流模式pwm控制技術的優(yōu)點：(1)采用逐個脈沖控制，動態(tài)響應快，調節(jié)性能好。當輸入線電壓或輸出負載變化時，馬上引起電感中電流的變化，

45、檢測信號也隨之變化，脈沖寬度立刻被調整。而在電壓模式控制技術中，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反映，需要輸出的電壓發(fā)生了一定的變化之后，才能對脈沖寬度進行調節(jié)，通常需要510個工頻之后才能響應輸入電壓的變化。因此，在采用電壓模式pwm控制技術的開關電源中，開關管經(jīng)常會因為輸入電壓浪涌造成的電壓尖峰信號而損壞。電流模式pwm控制技術則能夠很好地避免類似的故障發(fā)生。(2)一階系統(tǒng)，穩(wěn)定性好，負載響應速度快。(3)具有自動限流作用，限流保護和過流保護易于實現(xiàn)。(4)采用逐個電流脈沖值檢測，可以有效抑制變壓器偏磁引起的飽和的問題。在全橋變換器或推挽變換器中，無需增加祛磁耦合電容。而電壓模式pwm控

46、制技術很難實現(xiàn)這一點。(5)輸入線電壓的交流紋波可以比較大，減小了輸入濾波電容，可靠性得到提高。(6)并聯(lián)運行時，均流效果好。(7)功率因數(shù)高。電流模式pwm控制技術的缺點： (1)電感峰值電流與輸出平均電流之間存在誤差，控制精度不高。 (2)對高頻噪聲衰減的速度較慢，抗干擾能力差。 (3)不適用于半橋變換器。由于電流模式pwm控制技術與電壓模式pwm控制技術相比，具有不可比擬的優(yōu)勢，因此電流模式pwm控制器成為pwm控制器的主流，全球各大集成電路生產(chǎn)商競相研制并推出電流模式pwm控制器。比較有代表性的電流模式pwm控制器有uc3842、uc3846等。另外，uc3823和uc3825系列pw

47、m控制器以及mc44603既可以工作在電壓模式，也可以工作在電流模式下。2.2.3 典型電流型pwm集成控制器uc3842/3/4/5隨著電力電子技術的發(fā)展，各種各樣的pwm直流變換器集成控制器不斷出現(xiàn)，因此開關穩(wěn)壓電源所用的元器件數(shù)量大幅地減少。這不但提高了開關電源的可靠性，而且還簡化了開關穩(wěn)壓電源的設計計算，使開關穩(wěn)壓電源更便于生產(chǎn)和維護。uc3842/3/4/5是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應用而設計，為設計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較

48、器和大電流圖騰柱式輸出，是驅動功率mosfet的理想器件。1.uc3842/3/4/5的基本組成uc3842/3/4/5系列電流型pwm集成控制器內部包括帶滯后的欠電壓封鎖電路、振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、pwm鎖存器和推拉輸出電路等，如圖2-5所示。由于采用雙閉環(huán)控制，所以開關電源的負載調整率較高。在正常工作中，只要與高頻開關晶體管串聯(lián)的電流取樣電阻兩端的尖峰電壓達到1v，器件內部的推拉輸出級就終止輸出，高頻開關晶體管立即關斷，因此可自然形成逐脈沖限流。該系列ic芯片所需的外部元器件較少，因此可降低開關電源的價格。推拉輸出級可以直接驅動n溝道m(xù)osfet和雙極型晶體管，該系列ic芯片

49、的最高工作頻率可達到500khz,啟動電流小于1ma。其保護特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時間和單個脈沖測量鎖存。2.uc3842/3/4/5的優(yōu)點(1)當流過開關管的電流達到給定值時，開關管自動關斷，因此可以實現(xiàn)逐周限流。(2)自動消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的紋波電壓，在開關電源的輸出端，300hz以下的紋波電壓很低，因此可以減小輸出濾波電容的容量。(3)多臺開關電源并聯(lián)工作時，pwm開關控制器具有內在均流能力，同時具有更快的負載動態(tài)響應。圖2-5 uc3842/3/4/5內部結構框圖3.引腳排列及功能 圖2-6 uc3842/3/4/5兩種不同封裝形式的引腳排列該系列ic芯片采用dil-8、soic-8、soic-14及plcc-20等多種封裝形式。這些封裝形式的芯片的引腳排列如圖2-6所示。so-14封裝的圖騰柱式輸出級有單獨的電源和接地管腳。引腳功能引腳功能說明8管腳14管腳11補償該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補償。23電壓反饋該管腳是誤差放大器的反相輸入端，通常通過一個電阻分壓器連至開關電源輸出。35電流取樣一個正比于電感器電流的電壓接至此輸入，脈寬調制器使用此信息中止輸出開關的導通。47rt/ct通過將電阻rt連接至vref以及電容ct連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調。工作頻率可達1mhz。5-地該管腳是控制電路和電