降壓斬波電路設計

1、重慶交通大學電力電子技術課程設計直流降壓斬波電路學生姓名：周瑤小組成員：周瑤、姜飛、王圓月專業(yè)班級：電氣工程與自動化2012級1班學學號號：631224060133指導老師：余騰偉老師設計時間：2015至2016學年第一學期目錄一、 摘要.2二、 設計要求與方案.22.1設計要求.22.2 方案確定.3三、 主電路設計.33.1 主電路方案.33.2 工作原理.33.3 參數(shù)分析.4四、 電路方案設計.5五、 驅(qū)動電路設計.6六、 采樣模塊設計.6七、 顯示電路設計.7八、 單片機程序.8九、 課程設計總結.10十、 參考文獻.10十一、 附圖.11一、摘要 摘要論文設計基于52單片機的直流降

2、壓斬波電路，分析buck電路降壓原理，利用STC89C52單片機實現(xiàn)從9V到5V降壓電源的設計，利用采樣芯片對輸出電壓采樣，用四段八位數(shù)碼管進行顯示，已達到課程設計的要求。關鍵字：52單片機、buck電路、采樣、顯示Abstract This thesis is a design of DC Buck chopper circuit based on 52 SCM.With analysis of the principle of buck circuit,this design use STC89C52 MCU to realize the reduce of the power suppl

3、y from 9V to 5V. The sampling chip take sample of the output voltage and the four section eight bit digital tube display it.Finally ,this circuit has reached the requirements of curriculum design.Keywords: Buck circuit , 52 SCM , sampling , display二、 設計要求與方案 2.1 設計要求 課程設計目的1、培養(yǎng)文獻檢索的能力，特別是如何利用Interne

4、t檢索需要的文獻資料。2、培養(yǎng)綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、培養(yǎng)運用知識的能力和工程設計的能力。4、提高課程設計報告撰寫水平。 課程設計要求（1） 設計制作一個直流斬波電路，實現(xiàn)9V電壓輸入到5V電壓輸出，并顯示電壓值。通過降壓斬波電路將高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的低電壓； （2）合理選擇IGBT以及各元器件的參數(shù)；（3） 驅(qū)動電路的設計以及通過單片機控制驅(qū)動電路發(fā)出控制信號作用于IGBT門極實現(xiàn)降壓斬波電路功能。 2.2 方案確定電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制

5、信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關時就無需驅(qū)動電路。根據(jù)降壓斬波電路設計任務要求設計主電路、控制電路、驅(qū)動電路。控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路。驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關控制端，可以使其開通或關斷的信號。通過控制開關的開通和關斷來控制降壓斬波電路的主電路工作。三、 主電路設計3.1 主電路方案根據(jù)所選課題設計要求設計一個降壓斬波電路，可運用電力電子開關來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學的buck降壓電路作為主電

6、路，這個方案是較為簡單的方案，直接進行直直變換簡化了電路結構。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡單的電路復雜化，不可取。至于開關的選擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因為IGBT控制較為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關速度快、驅(qū)動電路簡單等特點，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。3.2 工作原理 根據(jù)所學的知識，直流降壓斬波主電路如下圖所示： 直流降壓斬波主電路使用一個全控器件IGBT控制導通。用控制電路和驅(qū)動電路來控制IGBT的通斷，當t=0時，驅(qū)動IGBT導通，電源E向負載供電，負載電壓=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時波

7、形圖如下圖所示：降壓電路波形圖 當時刻，控制IGBT關斷，負載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結束，再驅(qū)動IGBT導通，重復上一周期的過程。當電力工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為 為IGBT處于通態(tài)的時間；為處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比。通過調(diào)節(jié)占空比使輸出到負載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。由此可知，輸出到負載的電壓平均值Uo 最大為U i，若減小占空比，則Uo 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。3.3參數(shù)分析主

8、電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：實驗材料為L=1mH，R=30。計算電感斷續(xù)與連續(xù)時的臨界頻率。零狀態(tài)響應：當時，之后為零輸入：當時間，。選用占空比為50%時，周期T=，則臨界頻率。選取作為開關管的頻率。四、 電路設計方案控制芯片為STC89C52。此控制芯片沒有內(nèi)置AD采樣電路，所以需要自己添加采樣電路，我們選取ADC0809作為采樣芯片，考慮需要顯示3位數(shù)字，四位八段共陰極數(shù)碼管足夠滿足要求。驅(qū)動芯片選取IR2103半橋功放，因為驅(qū)動芯片的地與主電路的地需要隔開，所以加一個光耦進行隔離。如下圖：五、 驅(qū)動電路設計IR2103是半橋

9、驅(qū)動器，也可以用兩個組成H橋驅(qū)動。HIN輸入高電平HO就輸出高電平，但這個電平是相對Vs而言的；LIN輸入低電平LO就輸出低電平，但這個電平是相對COM而言的。自舉電容的作用是提供高端驅(qū)動的電源VB，高端驅(qū)動輸出TC是高頻振蕩的，當上管導通時是高壓端電壓，當下管導通時是低電平，當TC為低電平時，由Vcc經(jīng)二極管給自舉電容充電之接近Vcc電壓，Vcc同時給VB供電，當TC為高電平時，二極管截至，自舉電容放電給VB供電。自舉電容只有在高頻振蕩時才能起作用。因為我們只需要驅(qū)動一個MOS管，所以我們簡化電路采用低邊輸出，將二極管和電容去掉，HIN接地。光耦選取4N25，因為單片機的驅(qū)動能力有限，光電二

10、極管采用上拉電阻與單片機接口連接。如下圖：六、 采樣模塊設計ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。分辨率為8位，具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?，轉(zhuǎn)換時間為100s(時鐘為640KHz時)，130s（時鐘為500KHz時），單個+5V電源供電。模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準。工作溫度范圍為-40+85攝氏度，低功耗約15mW。原理圖與引腳圖如下所示：各引腳功能：IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA

11、、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入端，產(chǎn)生一個正脈沖以鎖存地址。START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結束信號，輸出端，當A/D轉(zhuǎn)換結束時，此端輸出一個高電平OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入端，高電平有效。當A/D轉(zhuǎn)換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHz。REF（+）、REF（-）：基準電壓Vcc：電源，單一+5V。GND：地。我們選取IN0作

12、為輸入，則ADDA、ADDB、ADDC三個引腳都接地，為了節(jié)約單片機內(nèi)部資源采用定時等待方式進行采樣。七、 顯示電路設計STC89C52單片機可以直接驅(qū)動八段數(shù)碼管，因為是共陰極數(shù)碼管，則高電平點亮段選。低電平選中位選。如下圖：八、 單片機程序/* 名稱：ADC0809 數(shù)模轉(zhuǎn)換與顯示說明：ADC0809 采樣通道 0 輸入的模擬量，轉(zhuǎn)換后的結果顯示在數(shù)碼管上。*/#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/各數(shù)字的數(shù)碼管段碼（共陰）uchar code table= 0x3f,0x06

13、,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x7, 0x7f,0x6f; /正常數(shù)碼uchar code table1= 0xbf,0x86,0xdb,0xcf, 0xe6,0xed,0xfd,0x87, 0xff,0xef;/帶小數(shù)點的數(shù)碼/*uchar code wela= 0xfe,0xfc,0xfb,0xf7;*/sbit CLK=P04; /時鐘信號sbit ST=P03; /啟動信號sbit EOC=P02; /轉(zhuǎn)換結束信號sbit OE=P01; /輸出使能sbit PWM=P00; /輸出使能uchar num,ii,aa=0;/延時void DelayMS(uin

14、t ms)uchar i;while(ms-) for(i=0;i<120;i+);/顯示轉(zhuǎn)換結果void Display_Result(uchar d)num=d*0.39;d=num%10;ii=num/10%10;P2=0xf7;/ 第 1 個數(shù)碼管顯示整數(shù)P1=table1ii;DelayMS(9);P2=0xfb;/ 第 2 個數(shù)碼管顯示小數(shù)P1=tabled; DelayMS(9); /主程序void main()TMOD=0x02; /T1 工作模式 2TH0=0x14;TL0=0x00;IE=0x82;TR0=1;while(1)ST=0;ST=1;ST=0; /啟動 A

15、/D 轉(zhuǎn)換while(EOC=0)Display_Result(aa); /等待轉(zhuǎn)換完成OE=1;aa=P3; OE=0; /T0 定時器中斷給 ADC0808 提供時鐘信號void Timer0_INT() interrupt 1CLK=CLK;PWM=PWM;九、 課程設計總結經(jīng)過兩周多的電力電子課程設計，真的是獲益不少。當接到這個任務時候感覺真正要學的東西來了，以前所學的理論知識終于可以用上了。于是拿起了課題認真的看了看，結果發(fā)現(xiàn)一頭霧水，就大概知道一個主電路而已。而至于控制電路和保護電路根本就不知道怎么回事，只知道以前做實驗有用過控制電路而不知道里面的內(nèi)部是怎么接線的。于是通過慢慢的看書，我在直流-直流變流電路那一章中掌握了IGBT降壓斬波電路主電路的設計，在PWM控制技術那一章中掌握了控制電路的設計。 一周半的設計，不僅讓我加深了很多課本上的知識，也讓我懂得了很多其它的。雖然已經(jīng)會設計電路圖了，但把它畫出來也不是件容易的事啊，后來經(jīng)過多次畫圖操作漸漸地也較熟悉了。通過這個設計，要做成一個可用的、實際的實物靠得是細節(jié)。以前課本上所學