开关电源的设计-毕业论文

xxxx本科毕业设计（论文）PAGEIII本科毕业设计（论文）资料题目名称：开关电源的设计学院（部）：电气与信息工程学院专业：电子信息学生姓名：xxxx班级：xxxx学号xxxx指导教师姓名：xxxx职称副教授最终评定成绩：xxxx教务处摘要21世纪是信息化时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对与线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，有电器的地方就有电源，现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体器件需要几伏倒几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必须的能源。大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所需的直流电压。完成这种变换任务的电源称为直流稳压电源。随着电子原件和磁性元件的发展，越来越多的电子设备使用了开关电源。因为开关电源有相比线性电源1000倍以上的开关频率，因而在重量、体积、效率等方面具有明显优势，并取得了较好的经济效益。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文是采用Boost变换电路与线性调整电路相结合的稳压技术，从而保证系统效率、电压控制精度、电压调整率和负载调整率。系统具有限流保护功能，采用反激式开关电源作为辅助电源。关键词：开关电源，反激式，Boost，拓扑结构ABSTRACTThetwenty-firstCenturyistheeraofinformationtechnology,therapiddevelopmentofinformationtechnologymakespeopleforelectronicequipment,productsareincreasinglydependent,andtheelectronicequipment,theproductsareinseparablefromthepowersupply.Switchingpowersupplywithrelativeefficiency,volume,weightandotheradvantageswithlinearpowersupply,especiallythehighfrequencyswitchingpowersupplyisbecominglighter,smaller,moreefficient,morereliable,whichmakesthehighfrequencyswitchingpowersupplypowersupplyhasbecomethemostwidelyused.Powersupplyisthemainequipmenttoachievepowerconversionandpowertransmission,thereareelectricalapplianceswherethereispower,modernelectronicequipmentinthecircuitusingalargenumberofsemiconductordevices,thesemiconductordevicesrequireDCpowersupplyfellseveraltensofvolts,inordertogettheenergyrequiredfornormalwork.DCpowersupplymethodformostelectronicdevicesisACpowertransformer,rectifier,filter,voltagetransformationforDCvoltagerequired.CompletionofthistasktransformpowercalledDCpowersupply.Withthedevelopmentofelectroniccomponentsandmagneticcomponents,moreandmoreelectronicdevicesusingswitchingpowersupply.Becauseoftheswitchingpowersupplyswitchingfrequencylinearpowersupplycomparedtomorethan1000times,soithasobviousadvantagesinweight,volume,efficiency,andachievedgoodeconomicbenefits.Alotofhighfrequencyswitchingpowersupplycircuit,commonlyusedwithpush-pullconverter,fullbridge,halfbridge,singleendedforwardandflybacketc.ThispaperisusingtheBoosttransformcircuitandlinearvoltageadjustingcircuitcombination,thusensuringthesystemefficiency,precisionvoltagecontrol,voltageregulationandloadregulation.Thesystemhasalimitingprotectionfunction,theflybackswitchingpowersupplyforauxiliarypowersupply.Keywords:Single-chipswitchingpowersupply,Flyback，Boost，TopologyStructure目录摘要 IABSTRACT II第1章绪论 11.1课题背景及意义 11.2研究现状 11.3未来的发展和趋势 2第2章开关电源简介 32.1开关电源的概述 32.1.1开关电源的概念 32.1.2开关电源的分类 42.2开关电源的工作原理 52.3开关电源的组成 62.4开关电源的拓扑结构 62.4.1Buck（StepDown）降压电路 72.4.2反激（升降压）电路 72.4.3Boost（StepUp）升压电路 82.5开关电源中存在的问题 9第3章系统总体方案设计 103.1方案比较与论证 103.1.1优化方法及实现方案 103.2电路设计与参数计算 123.2.1主回路器件的选择及参数计算 123.2.2辅助电路设计 143.2.3控制电路设计与参数计算 143.2.4效率分析及计算 143.2.5保护电路设计与参数计算 153.2.6数字设定及显示电路的设计 153.2.7特色设计 15第4章硬件设计 174.1PIC16F877芯片 174.1.1PIC16F877特殊内嵌功能 184.2PIC16F877基本电路 184.2.1PIC振荡频率电路 184.2.2外加电源与重置电路 194.2.3输入输出接口 194.3Boost（StepUp）升压电路 20第5章软件设计 225.1主程序设计流程图 22第6章系统调试与结果 246.1系统调试 246.2结果 246.2.1电压调整率 246.2.2负载调整率 246.2.3效率 256.2.4保护功能测试 25结论 26参考文献 27致谢 28附录1硬件电路原理图 29附录2源程序 30xxxx本科毕业设计（论文）PAGE1第1章绪论1.1课题背景及意义近年来，随着电子科技的不断发展，电子设备和人们的生活、工作的关系越来越密切，而所有的电子设备的应用都是离不开可靠的电源的。进入了90年代，开关电源相继的进入了各种电子设备的应用领域，如电子检测设备，通讯设备，控制设备等等。开关电源具有重量轻、体积小、效率高等特点。此外，由于机内升温低、功耗小，从而提高了整体的可靠性与稳定性。并且其对电网的适应能力也有较大的提高，就一般的传统线性稳压电源所允许的电网波动范围220V±10%来说，开关电源在电网电压从100V-240V范围内变化时，都可以获得稳定的输出电压。如今，开关电源正向着智能化，绿色化，集成化的方向发展，功能强大的单片开关电源代表着当今开关电源发展的主流方向，高效率的开关电源已经得到了越来越广泛的应用。1.2研究现状开关电源发展的重要动力就是强大的市场需求。开关电源技术是属于电力电子技术，它的电能转换是靠功率变换器进行的，经过变换的电能可以满足各种用电需求。由于它节能高效可以带来巨大的经济效益，因而得到社会各方面的重视且被迅速推广。在开关电源的设计中，很重要的一个指标就是效率。我们的设计应着力于如何降低开关电源的损耗来提升效率。开关电源的损耗大致是由于开关损耗，导通损耗，变压器和电感的损耗以及输入整流器损耗等组成。其中除了整流器损耗基本上不能降低外，其他的损耗都可以想办法来降低。现在比较新的技术就是采用零电压/零电流开关同步整流器降低同步整流器的栅极驱动损耗和开关损耗，未来的发展趋势应该会往采用跳周期控制方式降低待机和轻载损耗等方面进行改进。有很多的方法可以提升效率，比如同步整流器，低功耗控制芯片，无源无损缓冲电路等。目前国内的开关电源的效率大约在70%左右，为了响应节能减排的号召，我国未来的开关电源的设计理念应该会向着提高效率的方面进行拓展。开关电源的使用为国家节省了大量的钢材、铜材以及占地面积。由于变换效率的提升，能耗的降低，大大的降低了周围环境的温度，改善了工作人员的环境。近年来，国家应经在供电工程改造上加大投资。可见，开关电源在未来有着良好的发展前景。1.3未来的发展和趋势开关电源是稳压电源未来发展的主流趋势，在现在已经较为普遍的运用于各个领域。其接下来的发展，大致要向以下几个方面进行：小型高频化磁性元件和电容的质量和大小决定了电源的大小。当前技术的开发方向一个在于减小这些元件的大小，另一个方向就是尽可能的提升开关频率。这样既可以减小电源尺寸受到电容和磁性元件重量和尺寸的影响，还可以避免受到不必要因素的干扰，提升系统性能，所以，小型高频化是开关电源的发展趋势之一。使用稳定化和线性电源的使用相比，开关电源的使用次数要远大于线性电源，但由于经常使用其稳定性就没有线性电源好。光耦合器、电解电容以及排风扇这些部件是决定使用的时间长短和稳定性的要素。因此，当下的设计正是从集成度的提升着手，尽可能的去改善器件的使用，来增强开关电源的稳定性。比较可取的是，利用模块化技术，可以提升开关电源的稳定性，适用于分布式电源系统。低噪化在传统的开关电源中，频率越高噪声就会越大。如果可以采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以有效地降低噪声，所以低噪声化也式开关电源未来的发展趋势之一。计算机智能化控制当前计算机系统在不断地革新，未来的电路将会加以结合，利用微机控制和检测，能有效、多反面监控系统，实时登记、检查和预警等。低压输出化随着半导体制造技术的不断发展，便携式电子设备和微处理器的工作越来越低，这就要求未来的DC/DC变换器能够提供低输出电压来适应便携式电子设备和微处理器的供电要求。第2章开关电源简介2.1开关电源的概述电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。2.1.1开关电源的概念电是工业的动力，是人类生活必不可少的组成。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能和适合使用的需求，例如交流变成直流，高电压变成低电压，大功率变成小功率等。按照电子理论，所谓的AC/DC就是交流变为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转换为另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，成为开关电源（SwitchingPowerSupply）。开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-lineSwitchingCpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。电源框图如图2-1所示。图2-1电源框图开关电源与铁芯片变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的有点：（1）节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电器，它的效率一般可以达到85%，质量更好的可以达到95%甚至更高，而铁芯片变压器的效率只有70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的都制定的都有很仔细的、非常严格的规章条款。（2）体积小，重量轻。据统计，100W的铁芯变压器的重量为1200g左右，体积达350cm³，而100W的开关电源的重量只有250g，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。（3）开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。（4）改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。（5）根据人们的要求，可以设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需求。2.1.2开关电源的分类目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关在接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此这种工作方式是有损耗的。但是它比其他变换电源的形式简单得多，所以硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上他的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到5MHz以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡到零时，电子开关导通，称之为零电压导通（ZeroVoltageSwitching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（ZeroCurrentSwitching）。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受的应力大，目前还没有广泛应用。2.2开关电源的工作原理所谓的开关电源就是利用时间比率的不同来控制电压输出的。在这里，有一个非常重要的名词：占空比（DutyCycle），它的定义是这样的：在一段连续的波形中脉冲高电频持续的时间与周期的比值。调制可以根据所控制的元素不同分为脉冲频率调制（PFM）、脉冲宽度调制（PWM）和混合调制。这三种调制分别有自己的优点和缺点：转换效率最高的是混合调制，但是他的电路有些复杂，控制也不容易实现；空载或者轻载的时候效率比较低是脉冲宽度调制的缺点，但是特电路很简单，控制容易实现，因此在当前很多的开关电源设计中，这种调试被广泛应用。开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图2-2进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经过滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。（a）电路图（b）波形图图2-2开关电源的工作原理为了方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下D=TON/T（2-1）式中，T表示开关S的开关重复周期；Ton表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：Uo=UiD（2-2）由式（2-1）和式（2-2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间Ton，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。T不变，只改变Ton来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制（PWM）。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用的较多。若保持Ton不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称作脉冲频率调制（PFM）。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变Ton，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称作脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。2.3开关电源的组成开关电源的基本组成如图2-3所示。其中进行功率变换的是DC/DC变换器，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激活自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值得目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，在经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。图2-3开关电源的基本组成2.4开关电源的拓扑结构为了适应不同的输出功率，开关电源有各种的拓扑结构：Buck结构、反激（Flyback）结构、Boost结构等。本章节都是在连续电流模式（CCM）上来讨论的。2.4.1Buck（StepDown）降压电路Buck电路的原理图如下图2-4所示：图2-4Buck电路Buck电路就是降压电路。在Q1导通的时候，C1就会开始充电，输出电压Vo加到负载R1的两端，在C1充电的过程中，电感L1内的电流就会不断的增加，储存的刺成能量也会不断地增加。这个时候续流二极管D1截止。当Q1截止的时候，L1中所储存的磁场能量就会通过续流二极管D1传递到负载。当负载的电压比电容C1两端的电压低的时候，C1就会向负载放电。根据伏秒平衡可列出下式（2-3）、（2-4）：（V1-V0）TON=V0Toff（2-3）V0=V1TON/（TON+Toff）=V1DT/T=V1D（2-4）根据式（2-3）可知，要控制输出平均电压的大小可以通过改变开关管的占空比来实现。因为占空比总是比1小的，所以Vo也是小于V1的，所以就说Buck电路是降压电路。2.4.2反激（升降压）电路反激电路的原理图如下图2-5所示：图2-5反激电路它的工作原理是这样的：在Q导通的时候，二极管D是截止的，根据电路的知识可以得到：VL=Vg，ic=-V/R；在Q截止的时候，二极管D是导通的，可以得到VL=-V/n，ic=i/n-V/R。2.4.3Boost（StepUp）升压电路Boost电路的原理图如下图2-6所示：图2-6Boost电路Boost电路就是升压电路，在Q1导通的时候，能量就会从输入电源流入并且储存在电感L1中，此时二极管D1会反偏，负载由滤波电容C1供给能量，把储存在C1中的电能释放出来给负载R1上。当Q1截止的时候，电感L1中的电流不会发生突变，这时候二极管D1就会导通，电感中储存的能量就会经二极管D1流入电容C1中，并供给负载R1。因为电感有伏秒平衡，即在一个周期内电感的伏秒乘积和为零。假如Q1导通时间Ton越大，那么Q1在截止的时候提供给负载的电压就会越大。下面会通过具体的计算来进一步说明：根据伏秒平衡有下式（2-5）、（2-6）：V1Ton=（V0-V1）Toff（2-5）V0=V1（Ton+Toff）/Toff=V1T/（T-TD）=V1/（1-D）（2-6）式中Ton是开关的导通时间，Toff是开关的截止时间；开关管的工作周期是T，占空比为D，D=Ton/T。通过改变占空比我们就可以获得自己所需要的电压，并且由于D总是比1小的，故V0也是一定大于V1，这样我们就会很好的理解为什么Boost电路可以实现升压的功能了。2.5开关电源中存在的问题客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这是因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新，用途之光，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：（1）器件问题。电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。（2）材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。（3）能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/Dc变换等。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。（4）软件问题。开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”应实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。第3章系统总体方案设计3.1方案比较与论证DC/DC主回路拓扑。方案一：采用隔离变压器进行DC-DC变换，图3-1所示的单管它激式反激型直流变换器。经过试验，该方案的输出纹波200mV,经滤波后可达到题目要求，效率约为80%。方案二：采用如图3-2所示的Boost电路进行DC-DC变换。通过控制开关器件S的占空比来控制输出电压。这种方案电路结构简单，工作稳定可靠，控制灵活方便。该电路效率高，经过实验发现方案主回路效率可达到89%，其输出纹波可以通过LC滤波电路控制，各项指标能够达到题目要求 图3-1隔离变压器拓扑结构 图3-2Boost变换器拓扑结构经过上述比较分析，方案一可以实现要求，但结构较复杂、成本较高；方案二不仅满足要求且相对方案一，结构更为简单、成本较低，故本系统选择方案二。3.1.1优化方法及实现方案系统总体结构如图3-3所示。交流侧电压经过变压整流后送给电源系统，系统内部采用三路输出反激开关作为辅助电源，分别给运放和数字电路供电，主回路通过Boost变换获得一定精度的电压，并经过线性调整获得高精度输出电压。图3-3系统结构框图数字电路部分通过对输出电压、电流与温度的检测，以及通过D/A给定输出电压值，实现输出电压、电流的测量与设定以及故障和过热保护。根据题目对电源的效率、负载调整率、电压调整率、过流保护等要求，控制电路方案的选择包含三个部分。（1）控制电路电源方案一：控制电路采用单电源供电。通过整流滤波得到UIN经过线性调压后获得+15V、+5V电压，分别供给放大电路和数字电路使用。方案二：用线性调压后获得+15V、+5V电压，用极性反转型DC-DC变换电路获得-15V。方案三：采用多路输出的单管它激式反激型直流变换电路获得+15V、-15V、+5V辅助电源。电路结构如图3-4所示。这种方案虽然电路复杂，但具有以下优点：辅助电源的抗扰能力强，电网电压在较大范围变化时也能保证控制电路的电路电压稳定；减小了线性降压带来的效率损失；有效地解决了运放双电源供电问题。通过上述比较分析，由于方案三有较好的抗扰性、较高的效率，故本设计中采用方案三。该辅助电源采用UC3845控制器的反激式开关稳压电源，可提供+15V、-15V和5V电压。图3-4辅助电源原理3.2电路设计与参数计算3.2.1主回路器件的选择及参数计算系统主回路由DC-DC电路和线性调整电路构成，如图3-5所示。对于主回路DC-DC变换器，主要计算及器件如下。图3-5开关电源回路为了减低损耗，主开关选择Fairchild的85N10（额定电流85A，耐压100V，导通电阻8.5m）；续流二极管采用超快恢复二极管MBR20100，耐压100V，额定导通压降1V，允许通过电流20A，两个二极管并联工作可降低导通压降，从而降低损耗。在二极管上并联吸收网络以抑制纹波。滤波电容：，系统中选择：。电感计算：。线性调整电路原理如图3-6所示，为了提高控制精度，设计中采用开环增益A=100dB的LM358运放进行开环放大，采用耐压值为160Ｖ的三极管2383构建共射极放大电路，采用导通电阻为117m、电流为23A的IRF9540场效应管作为调整管，获得了较高的综合性能指标。图3-6电压、电流控制环回路3.2.2辅助电路设计辅助电源如图3-7所示，由UC3845完成控制功能。用于产生+20V、-20V和+8V电压，在经过以LM317为核心的双核跟踪式线性稳压功能电路后得到+15V、-15V和+8V电压，主要参数计算如下：峰值电流：. 变压器原边电感：图3-7软启动电路示意图变压器原边匝数：Npri=1000(Lpri/AL)1/2=20变压器副边匝数：Npri(Uo+UD)(1-δmax)/Uin(max)δmax，经计算20V取26匝，8V取10匝，反馈辅助绕组取15匝。滤波电容：Cout=Iout(max)Toff(max)/Uripple，考虑电容留有一定余量，滤波电容均取470。 反馈电阻：。3.2.3控制电路设计与参数计算本电路中，输出电压可以通过数字电路或模拟电路设定。模拟电路中，采用高精度的电压基准LM399，该基准电压输出固定的7V电压经过电位器分压后获得设定电压Ur和设定电流Ir。线性调压电路的输出电压值取决于设定电压Ur，Uo=Ur/α。开关电源电路输出电压自动跟随线性调压电路的输出电压变化，使线性调压电路压差DDS恒定。该压差可通过调节电位器设定为DDS=0.5V。3.2.4效率分析及计算系统主要由DC-DC变换器、线性调压、辅助电源和数字电路构成。影响系统效率的因素主要有开关损耗、电感储能损耗、整流二极管损耗、辅助电源损耗、线性调整电路和数字电路损耗。因此提高效率的方法有：合理选择电路结构；适当降低开关频率，并设计缓冲网络降低开关断损耗；加大主回路电流容量；选择导通压降小的二极管，并采用多个并联的方法来降低二极管导通损耗；合理选择磁芯和绕线规格，避免磁饱和并降低铜损；在电路中合理使用磁珠来抑制浪涌电流和浪涌电压；减小或消除系统中的振荡；降低控制电路部分的消耗、提高辅助电源的效率；合理分配各模块的效率损失；降低线性调整管压降。部分功耗如表3-1所示。表3-1主要损耗计算计算公式计算值/WMOSFET损耗1.7储能电感损耗1.1整流二极管损耗1.6辅助电源损耗4.3线性调整功耗1.0 综上分析，理论计算整个系统效率达到86.5%。3.2.5保护电路设计与参数计算保护电路实现限流保护，及当输出电流达到设定上限时，输出电压自动下降，进入恒流控制。如图2-6所示，电流采样电阻。电阻上的压降通过差动放大后与数字电路的A/D接口，当输入电流为3A时，差放输出4.5V，放大倍数为A=Uo/ΔU=30，并据此设计放大电路的外围参数。3.2.6数字设定及显示电路的设计数字设定及显示电路用以实现键盘设定和步进调整、输出电压、电流的测量和数字显示。控制芯片选择PIC16F877单片机。键盘设定采用由HD7279驱动的44键盘来节省CPU资源，简化程序编制。输出电压、电流的采用12864的LCD,设计了友好的人机界面。采用PIC16F877片内自带的10A/D，对输出电压（0-40V）、电流（0-3A）进行测量，测量精度分别可以达到39mV、2.9mA。采用16位D/A转换器MAX5541,对输出电压（0～40V）、电流（0～3A）进行设定，设定精度分别可以达到50mA、5mA。3.2.7特色设计软启动：电源开启，整流桥经2.5的限流电阻后级电路充电，负载电压升至22V时，继电器吸合，电阻短路，电源正常工作。采用软启动功能有效地减小合闸浪涌电流。恒压差控制：由开关电源电路初步稳压，再由线性调压电路进行精密的电压控制，这种方法结合了开关电源的高效率和线性电路高精度、高稳定性、低纹波等优点，获得了优良的整机性能，有效地提高整机效率、电压控制精度、电压调整率和负载调整率。单管反激多路输出辅助电源：采用多路输出的单管他励式反激型直流变换电路电压获得+15V、-15V、+5V辅助电源，当电网电压在较大范围变化时也能保证控制电路电压稳定，避免了线性降压带来的效率损失，有效地解决了控制电路供电问题。电流控制：采用限流保护，电流保护阀值可设定，因此系统可作为恒流源运行。系统状态监测：采用PIC单片机实现输出电压、电流和功率管温度的监测，并采用蜂鸣报警。计算机通信：可实现计算机与单片机的实时串行通信，在计算机中实时显示输出电压波形和电压、电流的值。液晶显示：采用液晶屏显示，节能、直观、使用方便。第4章硬件设计4.1PIC16F877芯片PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，它是属于PICmicro系列单片微机，具有Flashprogram程序内存功能，它可以重复烧录程序，适合开发新产品、教学等用途；因为它的内建ICD功能，可以让使用者直接在单片机电路或者产品上，进行如暂停微处理器、观看缓存内容等，让使用者快速的进行程序除错和开发。如图4-1为PIC16F877的40根引脚图，PDIP是指一般最常见的DIP（DualInLinePackage）包装，而PIC单片机也有PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）和QFP（QuadFlatPackage）两种不同的包装形式，可以按照不同的要求，来用不同的包装。如图所示，每一根引脚都有他们特定的功能，就像Pin11和Pin32（VDD）为正电源引脚，Pin12和Pin31（VSS）就是地线引脚；然而有的引脚可以有两种甚至三种以上的功能，就像Pin2（RA0/AN0）代表的就是PORTA的第一支引脚，它在系统重置（Reset）后，就可以自动的成为模拟输入引脚，接收模拟信号，也可以经由程序规划为数字输出输入引脚。图4-140引脚PIC16F877接脚说明4.1.1PIC16F877特殊内嵌功能PIC16F877是属于内嵌功能比较多的单片机，它除了有CPU、POM、RAM、I/O等基本的构造以外，还包括以下的各种功能，简单的介绍如下：A/Dconverter：模拟数字转换器，最多可以读取8组模拟输入信号。CCP：Capture、Compare、PWM，用来控制直流马达。USART：UniversalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter，同步/异步串行传输，如RS232、RS485等等。MSSP：MasterSynchronousSerialPort，两线式（I2C）和三线式（SPI）标准同步串行传输协定，一般用于EEPROM内存资料的读取与烧录，或者是和其他的集成电路沟通和联系，构成多芯片网络。4.2PIC16F877基本电路4.2.1PIC振荡频率电路单片机振荡电路和整体系统的工作速度有着直接的关系，就像同步/异步串行输出、定时器等，都和振荡频率有关，不同系列的单片机有着不一样的振荡频率，根据产品资料手册，PIC16F877的振荡频率最高可以达到20MHz；在图4-2中，振荡电路接于Pin13（OSC1/CLKIN）和Pin14（OSC2/CLKOUT），而振荡电路有以下的四种形式：LP：使用低功率振荡晶体（LowPowerCrystal）XT：使用振荡器/谐振器（Crystal/Resonator）HS：使用高速振荡器（HighSpeedCrystal/Resonator）RC：使用电阻/电容（Resister/Capacitor）一般常用的单片机振荡源是振荡晶体或者是谐振器，外接电路和PIC内部电路4-2所示。图中电容C1和C2的规格大小是根据Crystal或者Resonator而有所不同的。图4-2振荡源电路图4.2.2外加电源与重置电路PIC16F877的工作电压为5V，链接Pin11和Pin32，Pin12和Pin31为地线接脚；重置电路连接Pin1，按下Reset后，内部指令重头开始执行，系统重新运作。其电路如图4-3所示：图4-3电源与重置电路4.2.3输入输出接口PIC16F877除了上述基本的电路所占用的7支接脚以外，剩下的33支接脚都可以当成输出、输入接脚，输出输入端口是单片机的基本界面，它可以和周边的电路进行电路控制和信号传输与检测。PIC是8位的单片机，用接脚的特性来分组，每一组都要尽量凑满8支接脚，并且要将I/O命名为PORTA（RA0-RA5）、PORTB（RB0-RB7）、PORTC(RC0-RC7)、PORTD（RD0-RD7）还有PORTE（RE0-RE2）等，各个分组的接口特性说明如下：PORTA：PIC16F877的PORTA一共有6个位(RA0-RA5）,PORTA的接脚可以用来当成数字输出输入端口，然而当系统重置以后，PORTA就会自动的成为模拟输入状态，就可以读取模拟输入信号。PORTB：PORTB一共有8个位（RB0-RB7），可以用来撰写程序规划输入输出的方向和状态，其中，当他要进行烧录的时候，会用到3支接脚，分别是Pin36（RB3/PGM）、Pin39（RB6/PGC）和Pin40（RB7/PGD）。PORTC：PORTC一共有8个位（RC0-RC7），其中除了可以用来当成数位I/O外，还和一些有特殊功能的周边电路共享接脚，就像CCP（直流马达控制）、I2C、SPI（同步串行输入电路）、UART（异步串行传输电路）等等。PORTD：PORTD一共有8个位（RD0-RD7），可以作为一般数字I/O，并且和PSP（ParallelSlavePort）并列传输接口共享。当整体系统需要多单片机时，彼此就可以经由并列传输接口来快速传送资料。PORTE：PORTE一共有3个位（RE0-RE2），PORTE的Pin8、9、10有三种功能，除了最基本的I/O功能外，还有模拟输入功能，而上述PORTD的并列传输接口设定所需要的控制接脚，如/RD、/WR、/CS等，也是属于PORTE接脚。4.3Boost（StepUp）升压电路Boost电路的原理图如下图4-4所示：图4-4Boost电路Boost电路就是升压电路，在Q1导通的时候，能量就会从输入电源流入并且储存在电感L1中，此时二极管D1会反偏，负载由滤波电容C1供给能量，把储存在C1中的电能释放出来给负载R1上。当Q1截止的时候，电感L1中的电流不会发生突变，这时候二极管D1就会导通，电感中储存的能量就会经二极管D1流入电容C1中，并供给负载R1。因为电感有伏秒平衡，即在一个周期内电感的伏秒乘积和为零。假如Q1导通时间Ton越大，那么Q1在截止的时候提供给负载的电压就会越大。下面会通过具体的计算来进一步说明：根据伏秒平衡有下式（4-1）、（4-2）：V1Ton=(V0-V1)Toff（4-1）V0=V1(Ton+Toff)/Toff=V1T/(T-DT)=V1/(1-D)（4-2）式中Ton是开关的导通时间，Toff是开关的截止时间；开关管的工作周期是T，占空比为D，D=Ton/T。通过改变占空比我们就可以获得自己所需要的电压，并且由于D总是比1小的，故Vo也是一定大于V1，这样我们就会很好的理解为什么Boost电路可以实现升压的功能了。第5章软件设计5.1主程序设计流程图主程序设计图如图5-1所示：图5-1主程序设计流程图本设计通过A/D对输出的电压、电流信号就行采样，并且通过液晶屏显示电压、电流的数值。按照闭环控制的原理来维持输出电压的稳定，在单片机中实现数字PID的增量算法，对PWM的占空比进行实时调节，以确保在输入电流、电压改变或者负载改变过程中输出电压的恒定。同时，通过键盘输入所需的幅值来实现输出电压可调。中断服务程序流程图如图5-2：图5-2中断服务流程图单片机在主程序中通过扫描键盘获取输入得键值，从而就可以得到输出电压的指令值。通过定时器中断对电压、电流信号进行采样，根据电压采样数据对输出的电压进行PID调节。PID调节器控制FPGA产生PWM信号的占空比，从而维持输出电压的恒定。第6章系统调试与结果6.1系统调试系统调试使用的主要仪器有：UNI-T标准型数字万用表；DS5062CA60MHz双通道数字示波器；DF1731SBAB可调直流稳压电源；PAK20-18A电压源；EUC-300D电子负载；TDGC2-1自耦调压器。调试采用自上而下、模块化调试的方法，将系统分成辅助电源、DC/DC变换电路、线性调整电路和数字电路进行分块调试，然后联调，提高调试效率。6.2结果6.2.1电压调整率测试方法：在Io=2A时，通过调整自耦变压器改变U2，测量Uo的值（表6-1）。U2/V15.317.018.921.1Uo/V36.636.0135.9835.97表6-1测量结果由以上的测试结果可以算出，系统的电压调整率达到了0.17%。6.2.2负载调整率测试方法：在U2=18V时，改变负载大小，测量Uo的值（表6-2）。Io/A012Uo/V36.0135.9935.97表6-2测量结果由以上测试结果可以计算出，系统的负载调整率达到0.11%。6.2.3效率测试方法：在、、时，通过测量、、、后计算得到。通过对输入/输出电压、电流的测试，整个系统的效率为85.5%，略低于理论计算结果。原因是开关电源中损耗计算复杂，而且采用简化公式计算，引起计算偏差；系统功能较多，控制系统复杂，消耗一定功率。因此，可以通过降低控制电路、调整管、整流二极管的能耗来提高整机效率。6.2.4保护功能测试测试方法：采用电子负载，逐渐加大负载电流，记下过流保护动作电流为2.510A，此时继续加大负载电流，输出电压自动下降，电流变化范围不超过50mA。结论毕业设计是每个大学生必须经历的一关难题，这也是为了检验我四年来所学到的一些东西。大一大二的时候，我们所学的高数，英语等也是为了我们后面学习专业知识打基础。后面所学的电路、模电、数电等一些理论知识在我们的毕业设计中充分显示了我们对它们的掌握程度，也让我明白了想要做好毕业设计，自己所学会的知识是远远不够的。而且以前学习的都是理论知识，现在要做的就是把以前学习的理论知识结合起来，摆脱了单纯学习理论的状态。综合了大三所学的电子技术、单片机技术、自动检测技术、C语言等课程，用来解决设计中存在的问题，同时也提高了我办公软件的使用、格式的规范设计以及各种专业软件使用的能力。本设计主要包括以下几方面：(1)本系统采用Boost变换电路与线性调整电路相结合的稳压电路，完成了开关稳压电源的设计，通过电压控制回路和电流控制回路闭环调整输出电压，当输出电压在15~21V范围变化时，输出电压30~40V可调，电流0~2.5A可调，电压纹波≤100mV，电压调整率017%，负载调整率0.11%，系统效率85.5%，达到了题目的基本要求，基本满足发挥部分的要求。(2)系统采用了“软启动”、“恒压差控制技术”、并采用反激开关电源为控制电路供电。以PIC单片机为核心，设计了电压，电流监测和温度保护功能，使用了液晶显示屏，并可以通过PC机显示负载电压，电流波形，系统功能完善，稳定可靠，使用方便。(3)通过调整控制环节的参数可进一步提高负载调整率。调整控制环节的结构和参数，并在前级采用LC滤波抑制直流电压的波动可以进一步降低纹波。采用软开关、同步整流、无损缓冲、电感优化及损耗合理分配等技术可以进一步提高效率。总之，通过这一段时间的毕业设计，让我学到了很多，也让我明白了想要做好一件事，知识的掌握程度是多么重要。大学四年的学习可以说是在最后的毕业设计得到了充分的体现，通过它让我掌握了很多软件的使用，包括办公软件的使用。也通过这次设计，加强了我的动手能力提升了我上网和去图书馆查阅资料的欲望。在对于程序方面，通过这次毕业设计让我明白计算机二级没有白考，使我在程序应用与编写方面更加容易了一点。不管怎样，毕业设计总算弄完了，做的好与坏都是自己这段时间辛苦奋斗出来的，毕业后再回想起这段废寝忘食的经历，也是会很开心的。参考文献[1]袁庆龙，候文义．Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究［J］．太原理工大学学报，2001，32（1）：51-53.[2]

刘国钧，王连成．图书馆史研究［M］．北京：高等教育出版社，1979：15-18．[3]孙品一．高校学报编辑工作现代化特征［C］．中国高等学校自然科学学报研究会．科技编辑学论文集（2）．北京：北京师范大学出版社，1998：10-22．[4]张和生．地质力学系统理论［D］．太原：太原理工大学，1998．[5]冯西桥．核反应堆压力容器的LBB分析［R］.北京：清华大学核能技术设计研究院，1997．[6]姜锡洲．一种温热外敷药制备方案［P］．中国专利：881056078，1983-08-12．[7]GB/T16159—1996，汉语拼音正词法基本规则［S］．北京：中国标准出版社，1996．[8]谢希德．创造学习的思路[N]．人民日报，1998-12-25（10）．[9]王明亮．中国学术期刊标准化数据库系统工程的［EB/OL］．/pub/wml.txt/980810-2.html,1998-08-16/1998-10-04． 致谢毕业设计是对我们大学四年学习的一个检验，通过这次毕业设计让我重新掌握了之前所学习的一些理论知识，但是光是理论知识是远远不够的，还要有自己亲自动手才可以感受它的难易程度。这次毕业设计，最要感谢的便是我的导师xxxx副教授，她的鼓励和细心教导下，让我对本来很陌生的课题从不知道如何下手，到敢于动手去完成它，在这个过程中除了老师的教导以外，还要感谢我的室友我的同学，他们的帮忙让我加快了完成课题的速度。当然毕业设计的顺利完成，按时交差，我们的导师xxxx副教授是最辛苦的，她要很早提醒我们完成这一系列的事，而且每个人有什么错误，她都会一对一耐心指导，考虑我们有些人去参加实习不能在学校接受她的指导，她也会在网上对我们耐心指导。而且老师的乐观态度是我最值得学习的地方，我们害怕完成不了，害怕完成不好，但是老师都会鼓励我们，而且会给我们力量，让我们觉得只要有她在，不会出现太大的错误。正因为老师的态度，这让我对我自己的课题多了几分信心。最后，我要感谢我大学生活中所有带给我欢乐，和支持鼓励我帮助过我的人，有了他们，才让我的大学生活多姿多彩，也要感谢那些带给我不愉快的人，正因为他们，才让我不断的成长。在最后的这段时间，特别感谢我的导师，有了她，让我顺利完成毕业设计，顺利等待毕业。真诚的感谢她，祝愿她可以天天开心，永远保持这种乐观的态度，永远年轻漂亮！学生签名：日期：xxxx本科毕业设计（论文）PAGE29附录1硬件电路原理图附录2源程序(1)汇编语言程序源代码ORG00HSQU_KBITP3.4SAW_KBITP3.5TRI_KBITP3.6SIN_KBITP3.7SQU_LBITP1.0SAW_LBITP1.1TRI_LBITP1.2SIN_LBITP1.3START:MOVP1,#0FFHMOVP2,#0FFHMOVP3,#0FFHMOVDPTR,#SIN_TABMAIN:MOVP0,#00HJNBSQU_K,S1SETBSQU_LJNBSAW_K,S2SETBSAW_LJNBTRI_K,S3SETBTRI_LJNBSIN_K,S4SETBSIN_LSJMPMAINS1:CLRSQU_LLCALLSQUARESJMPMAINS2:CLRSAW_LLCALLSAWTOOTHSJMPMAINS3:CLRTRI_LLCALLTRIANGSJMPMAINS4:CLRSIN_LLCALLSINWAVESJMPMAINSQUARE:MOVR0,#00HJ11:MOVP0,#0FFHMOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL11:DECR3CJNER3,#255,L11INCR0INCR0CJNER0,#254,J11MOVR0,#00HJ12:MOVP0,#00HMOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL12:DECR3CJNER3,#255,L12INCR0INCR0CJNER0,#254,J12MOVR0,#00HRETSAWTOOTH:CLRAMOVR7,AJ21:MOVP0,R7MOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL21:DECR3CJNER3,#255,L21INCR7CJNER7,#255,L21RETTRIANG:MOVR7,#00HJ31:MOVP0,R7MOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL31:DECR3CJNER3,#255,L31INCR7INCR7CJNER7,#254,J31J32:MOVP0,R7MOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL32:DECR3CJNER3,#255,L32DECR7DECR7CJNER7,#00,J32RETSINWAVE:MOVR0,#00HK41:MOVA,R0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,AINCR0MOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL41:DECR3CJNER3,#255,L41CJNER0,#92,K41K42:DECR0MOVA,R0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,AMOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL42:DECR3CJNER3,#255,L42CJNER0,#0,K42RETSIN_TAB:DB0,0,0,0DB1,1,2,3,4,5,6,8DB9,11,13,15,17,19,22,24DB27,30,33,36,39,42,46,49DB53,56,60,64,68,72,76,80DB84,88,92,97,101,105,110,114DB119,123,128,132,136,141,145,150DB154,158,163,167,171,175,179,183DB187,191,195,199,202,206,209,213DB216,219,222,225,228,231,233,236DB238,240,242,244,246,247,249,250DB251,252,253,254,254,255,255,255END（2）C语言程序源代码//****************************************************************//包含文件，端口定义，程序开始//****************************************************************#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitSQU_K=P3^4;sbitSAW_K=P3^5;sbitTRI_K=P3^6;sbitSIN_K=P3^7;sbitSQU_L=P1^0;sbitSAW_L=P1^1;sbitTRI_L=P1^2;sbitSIN_L=P1^3;sbitINTad=P3^3;sbitCS=P3^0;//使能端sbitW_R=P3^2;//写端口sbitR_D=P3^1;//读端口ucharcodesin_tab[]={0,0,0,0,1,1,2,3,4,5,6,8,9,11,13,15,17,19,22,24,27,30,33,36,39,42,46,49,53,56,60,64,68,72,76,80,84,88,92,97,101,105,110,114,119,123,128,132,136,141,145,150,154,158,163,167,171,175,179,183,187,191,195,199,202,206,209,213,216,219,222,225,228,231,233,236,238,240,242,244,246,247,249,250,251,252,253,254,254,255,255,255};//****************************************************************//延时函数//**************************************************************