高稳定度直流电源-24v设计.doc
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1、高稳定度直流电源设计(2011)毕业设计说明书高稳定度直流电源设计专业电气工程及其自动化学生姓名班级学号指导教师完成日期高稳定度直流电源设计摘 要:叙述开关电源的发展与现状,简要介绍开关电源的分类、发展动向及其意义;阐述了直流开关电源的结构和工作原理,对开关电源的主电路和控制回路进行设计:在主电路的输入回路中整流电路采用单相桥式整流,其中还设计了低通滤波电路、整流滤波电路和其他形式的滤波电路。此设计中功率转换电路采用半桥型DC/DC变换器,这是开关电源的核心部分,对此部分进行了重点分析和设计;控制电路采用电压型PWM控制,控制器采用开关电源集成控制器SG3525A,并对其特点、结构和工作原理作
2、了简单介绍,对于系统的结构也进行了重点设计,并对其各个部分进行了元器件的选择和参数计算。其他部分还设计了保护电路和辅助电源电路。最后,用MATLAB仿真软件对主电路进行仿真测试,通过仿真测试结果对该直流电源设计的合理性进行判断,视其稳定性是否符合设计要求。关键词:DC/DC变换器;PWM控制;SG3525A;MATLAB仿真Design of High Stability DC Power SupplyAbstract: Describing the development and current situation of switching power supply, switching p
3、ower supply briefly introduced the classification, development trend and its significance;DC switching power supply described the structure and working principle of the switching power supply of the main circuit and control circuit design:In the main input loop circuit using single-phase rectifier b
4、ridge rectifier circuit, which also designed the low-pass filter circuit, the rectifier filter circuit, and other forms of filter circuit.This design, half-bridge type power conversion circuit using DC / DC converters, switching power supply which is the core of the focus of this part of the analysi
5、s and design;PWM control circuit with voltage control, switching power supply controller with integrated controller SG3525A, and its characteristics, structure and working principle is briefly introduced, the structure of the system carried on the key design and the various parts of the element of i
6、ts Device selection and parameter calculations.Also designed to protect other parts of the circuit and the auxiliary power supply circuits.Finally, the main circuit simulation software MATLAB simulation test, the simulation results of the DC power to judge the rationality of the design, depending on
7、 whether it meets the design requirements of its stability.Key Words: DC/DC transformer;PWM control;SG3525A;MATLAB Simulation.目 录1 概述11.1 开关电源的发展与现状11.2开关电源的分类21.3开关电源的发展动向及其意义32 总体设计方案42.1 设计方案的提出42.2 方案的论证53 开关电源输入回路的设计63.1 低通滤波电路的设计63.2 整流滤波电路的设计63.3 其他形式滤波电路83.4 稳压电路93.5 参数计算以及元器件的选择104 DC/DC变换器
8、的设计124.1 控制方式的选择124.2 功率转换电路的选择124.3 参数的计算14 4.3.1 变压器设计14 4.3.2 电感的参数计算15 4.3.3 二极管和电容器的选择15 4.3.4 开关管的选择165 控制电路的设计185.1 控制模式的选择185.2 开关电源集成控制器20 5.2.1 SG3525A的特点20 5.2.2 SG3525A的引脚介绍20 5.2.3 SG3525A芯片的工作原理21 5.2.4 SG3525A的基本功能225.3 保护电路的设计245.4 辅助电源电路286 MATLAB仿真测试297 结束语31参考文献32致 谢33附 录34 附录1 开关
9、电源原理图35 附录2 系统仿真图36高稳定度直流电源设计(2011)高稳定度直流电源设计1 概述 随着电力电子技术的发展,电力电子设备与人们工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源。进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性
10、电源相比,其成本低、效率高、体积小、重量轻、电源输出组数多、极性可变等诸多优点,这些使得开关电源在现在生产和生活中得到广泛应用。1.1 开关电源的发展与现状1955年美国的科学家罗耶(G.H.Royer)首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激震荡的晶体管直流变换器。此后,利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制和涌现出来,从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备,由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态,所以由此而制成都的开关稳压电源输出组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻,因而被广泛应用于计算机、通信、航天、家电等领域中。开关稳压电
11、源简称为开关电源(switching power supply),发展已有50余年,经历了三个重要发展阶段:第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,使得开关电源更加小巧、简单。当今
12、,随着半导体技术和微电子技术的高速发展,集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现,使得电子设备的体积在不断地缩小,重量不断地减轻,所以从事这方面研究和生产的人们对开关电源中开关变压器还感到不是十分理想,他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器,使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要。还有,开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的,并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后,才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关电源的效率,就必须提高电源的工作频率。但当频率提高以后,对整个电路中元件又有了新的要求,此外,在开
13、关稳压电源中的开关管工作在开关状态,其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰会污染市电电网,影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进,开关电源的这一缺点得到了进一步的克服,可以达到不防碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。但是,在一些精密的电子仪器中,由于开关电源的这一缺点,却使它不能得到使用。克服这些缺点,是当今从事开关稳压电源科研人员必须解决的问题,不过,随着电力和电子技术的飞跃发展,已经有了很大的突破,相信这些问题以后都会一一得到解决的。1.2开关电源的分类 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件
14、,边开发开关变频技术,两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、簿、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/AC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 A) DC/DC变换 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式(PWM)Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式(PFM
15、),ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类: a) Buck 电路降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,极性相同。 b) Boost电路升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,极性相同。 c) Buck-Boost电路降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输 入电压Ui,极性相反,电感传输。 d) Cuk电路降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电容传输。 当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功
16、率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80-90)%。NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200300)khz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管),是整个电路效率提高到90%。 B) AC/DC变换 AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及E
17、MC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入则必须加EMC滤波及使用符合安全标准的无件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密码安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波、全波电路。1.3开关电源的发展动向及其意义 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、簿的关键
18、技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器作的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Ba)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、簿。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS(零电压型)、ZCS(零电流型)的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产
19、品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得用实用化。 电力电子技术的不断创新,使开关电源产业有着广阔的发展前景,要加快我国开关电源产业的发展速度,就必须走创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。2 总体设计方案 高稳定度直流电源设计一文就是要设计一个在工频电网电压变化较大时,仍能保
20、证有较稳定的输出电压的开关电源。其系统要求为:输入电压为22020%,即85V()265V(),输出功率为288W(24V/12A),开关电源工作频率为100kHz,效率85%,占空比为50%。2.1 设计方案的提出方案一: 本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成,主电路主要处理电能,控制电路主要处理电信号,采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM控制方式,通过给定量和反馈量的比较得到偏差,并通过数字PID 调节器控制PWM输出,从而控制开关电源的输出。其中,PID调节和PWM 输出都由单片机系统采用软件控制。系统硬件部分由输入输出整流滤波电路、功率变换部分、驱动电
21、路、单片机系统和辅助电路等几部分组成。图2-1为单片机控制功率直流电源结构框图。图2-1单片机控制功率电源结构框图从图2-1中可以看到,50Hz、220V的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰,然后进入到输入整流滤波器进行整流滤波,变换成直流电压信号。该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号,高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出。控制电路采用PWM脉宽调制方式,由单片机产生的脉宽可调的PWM控制信号经驱动电路处理后,驱动功率变换电路工作。利用单片机高速ADC转换通道定时采集输出电压,并与期望值比较,根据其误差进行PID调节。电压采集电路实现了直流电压Vo的采集,并使其与A/D
22、转换器的模拟输入电压范围匹配,在开关电源发生过压、过流和短路故障时,保护电路对电源和负载起保护作用。辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。方案二: 基本的隔离式开关电源的原理框图如图2-2所示。a) 交流输入,是经EMI滤波器后由一次整流平滑部分(二极管整流桥与平滑电容器)转换为直流电力后供应至DC/DC变换器部分。b) DC/DC变换器电路,是经由可使直流转换为高频交流的逆变器与再使高频交流二次整流为直流用的快速二极管和扼流圈、电解电容器所构成的二次整流平滑电路,即向负载中供应直流电。控制电路部分,是执行由“误差比较放大器”、“电压电路取样电路”等部分所构成,这里主要是由控制集成器完成
23、逆变器部分的控制,外加保护电路和辅助电源设备。图2-2开关电源基本原理图交流输入到电路滤波器,后用二极管和电容器对输入进行整流平滑,并把这种直流电用开关元件变换成脉冲状交流电。这种电源方式先将部分直流输出电压通过比较电路和基准电压进行比较,其误差电压经占空比控制电路反馈,然后再通过控制开关元件的占空比调整输出电压。另外,作为电源电路结构的一部分,还须有防止外加输入电压时的冲击电流和过流保护等各种功能,这些功能都要跟主电路变换方式协调。2.2 方案的论证本设计要求开关频率为100kHz,如果要采用方案一的话,这就要求单片机的工作频率要很高,要求运算速度很快而且能够输出足够高频率的PWM波,这样的
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