xxxx本科畢業設計（論文）PAGEIII本科畢業設計（論文）資料題目名稱：開關電源的設計學院（部）：電氣與信息工程學院專業：電子信息學生姓名：xxxx班級：xxxx學號xxxx指導教師姓名：xxxx職稱副教授最終評定成績：xxxx教務處摘要21世紀是信息化時代，信息化的快速發展使得人們對于電子設備、產品的依賴性越來越大，而這些電子設備、產品都離不開電源。開關電源相對與線性電源具有效率、體積、重量等方面的優勢，尤其是高頻開關電源正變得更輕，更小，效率更高，也更可靠，這使得高頻開關電源成為了應用最廣泛的電源。電源是實現電能變換和功率傳遞的主要設備，有電器的地方就有電源，現代電子設備中的電路使用了大量的半導體器件，這些半導體器件需要幾伏倒幾十伏的直流供電，以便得到正常工作所必須的能源。大多數電子設備的直流供電方法都是將交流電源經過變壓、整流、濾波、穩壓等變換為所需的直流電壓。完成這種變換任務的電源稱為直流穩壓電源。隨著電子原件和磁性元件的發展，越來越多的電子設備使用了開關電源。因為開關電源有相比線性電源1000倍以上的開關頻率，因而在重量、體積、效率等方面具有明顯優勢，并取得了較好的經濟效益。開關電源的高頻變換電路形式很多，常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。本論文是采用Boost變換電路與線性調整電路相結合的穩壓技術，從而保證系統效率、電壓控制精度、電壓調整率和負載調整率。系統具有限流保護功能，采用反激式開關電源作為輔助電源。關鍵詞：開關電源，反激式，Boost，拓撲結構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目錄摘要 IABSTRACT II第1章緒論 11.1課題背景及意義 11.2研究現狀 11.3未來的發展和趨勢 2第2章開關電源簡介 32.1開關電源的概述 32.1.1開關電源的概念 32.1.2開關電源的分類 42.2開關電源的工作原理 52.3開關電源的組成 62.4開關電源的拓撲結構 62.4.1Buck（StepDown）降壓電路 72.4.2反激（升降壓）電路 72.4.3Boost（StepUp）升壓電路 82.5開關電源中存在的問題 9第3章系統總體方案設計 103.1方案比較與論證 103.1.1優化方法及實現方案 103.2電路設計與參數計算 123.2.1主回路器件的選擇及參數計算 123.2.2輔助電路設計 143.2.3控制電路設計與參數計算 143.2.4效率分析及計算 143.2.5保護電路設計與參數計算 153.2.6數字設定及顯示電路的設計 153.2.7特色設計 15第4章硬件設計 174.1PIC16F877芯片 174.1.1PIC16F877特殊內嵌功能 184.2PIC16F877基本電路 184.2.1PIC振蕩頻率電路 184.2.2外加電源與重置電路 194.2.3輸入輸出接口 194.3Boost（StepUp）升壓電路 20第5章軟件設計 225.1主程序設計流程圖 22第6章系統調試與結果 246.1系統調試 246.2結果 246.2.1電壓調整率 246.2.2負載調整率 246.2.3效率 256.2.4保護功能測試 25結論 26參考文獻 27致謝 28附錄1硬件電路原理圖 29附錄2源程序 30xxxx本科畢業設計（論文）PAGE1第1章緒論1.1課題背景及意義近年來，隨著電子科技的不斷發展，電子設備和人們的生活、工作的關系越來越密切，而所有的電子設備的應用都是離不開可靠的電源的。進入了90年代，開關電源相繼的進入了各種電子設備的應用領域，如電子檢測設備，通訊設備，控制設備等等。開關電源具有重量輕、體積小、效率高等特點。此外，由于機內升溫低、功耗小，從而提高了整體的可靠性與穩定性。并且其對電網的適應能力也有較大的提高，就一般的傳統線性穩壓電源所允許的電網波動范圍220V±10%來說，開關電源在電網電壓從100V-240V范圍內變化時，都可以獲得穩定的輸出電壓。如今，開關電源正向著智能化，綠色化，集成化的方向發展，功能強大的單片開關電源代表著當今開關電源發展的主流方向，高效率的開關電源已經得到了越來越廣泛的應用。1.2研究現狀開關電源發展的重要動力就是強大的市場需求。開關電源技術是屬于電力電子技術，它的電能轉換是靠功率變換器進行的，經過變換的電能可以滿足各種用電需求。由于它節能高效可以帶來巨大的經濟效益，因而得到社會各方面的重視且被迅速推廣。在開關電源的設計中，很重要的一個指標就是效率。我們的設計應著力于如何降低開關電源的損耗來提升效率。開關電源的損耗大致是由于開關損耗，導通損耗，變壓器和電感的損耗以及輸入整流器損耗等組成。其中除了整流器損耗基本上不能降低外，其他的損耗都可以想辦法來降低?，F在比較新的技術就是采用零電壓/零電流開關同步整流器降低同步整流器的柵極驅動損耗和開關損耗，未來的發展趨勢應該會往采用跳周期控制方式降低待機和輕載損耗等方面進行改進。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，無源無損緩沖電路等。目前國內的開關電源的效率大約在70%左右，為了響應節能減排的號召，我國未來的開關電源的設計理念應該會向著提高效率的方面進行拓展。開關電源的使用為國家節省了大量的鋼材、銅材以及占地面積。由于變換效率的提升，能耗的降低，大大的降低了周圍環境的溫度，改善了工作人員的環境。近年來，國家應經在供電工程改造上加大投資?？梢?，開關電源在未來有著良好的發展前景。1.3未來的發展和趨勢開關電源是穩壓電源未來發展的主流趨勢，在現在已經較為普遍的運用于各個領域。其接下來的發展，大致要向以下幾個方面進行：小型高頻化磁性元件和電容的質量和大小決定了電源的大小。當前技術的開發方向一個在于減小這些元件的大小，另一個方向就是盡可能的提升開關頻率。這樣既可以減小電源尺寸受到電容和磁性元件重量和尺寸的影響，還可以避免受到不必要因素的干擾，提升系統性能，所以，小型高頻化是開關電源的發展趨勢之一。使用穩定化和線性電源的使用相比，開關電源的使用次數要遠大于線性電源，但由于經常使用其穩定性就沒有線性電源好。光耦合器、電解電容以及排風扇這些部件是決定使用的時間長短和穩定性的要素。因此，當下的設計正是從集成度的提升著手，盡可能的去改善器件的使用，來增強開關電源的穩定性。比較可取的是，利用模塊化技術，可以提升開關電源的穩定性，適用于分布式電源系統。低噪化在傳統的開關電源中，頻率越高噪聲就會越大。如果可以采用部分諧振轉換回路技術，在原理上既可以提高頻率又可以有效地降低噪聲，所以低噪聲化也式開關電源未來的發展趨勢之一。計算機智能化控制當前計算機系統在不斷地革新，未來的電路將會加以結合，利用微機控制和檢測，能有效、多反面監控系統，實時登記、檢查和預警等。低壓輸出化隨著半導體制造技術的不斷發展，便攜式電子設備和微處理器的工作越來越低，這就要求未來的DC/DC變換器能夠提供低輸出電壓來適應便攜式電子設備和微處理器的供電要求。第2章開關電源簡介2.1開關電源的概述電源是將各種能源轉換成為用電設備所需電能的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動力源泉。2.1.1開關電源的概念電是工業的動力，是人類生活必不可少的組成。電源是產生電的裝置，表示電源特性的參數有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標。我們用的電，一般都需要經過轉換才能和適合使用的需求，例如交流變成直流，高電壓變成低電壓，大功率變成小功率等。按照電子理論，所謂的AC/DC就是交流變為直流；AC/AC稱為交流轉換為交流，即改變頻率；DC/AC稱為逆變；DC/DC為直流變交流后再變直流。為了達到轉換目的，電源變換的方法是多樣的。自20世紀60年代，人們研發出了二極管、三極管半導體器件后，就用半導體器件進行轉換。所以，凡是用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態轉換為另一種形態的電路，叫做開關變換電路。在轉換時，以自動控制穩定輸出并有各種保護環節的電路，成為開關電源（SwitchingPowerSupply）。開關電源在轉換過程中，用高頻變壓器隔離稱之為離線式開關變換器（Off-lineSwitchingCpnwerter），常用的AC/DC變換器就是離線式變換器。電源框圖如圖2-1所示。圖2-1電源框圖開關電源與鐵芯片變壓器電源以及其他形式的電源比較起來具有較多的有點：（1）節能。綠色電源是開關電源中用途最為廣泛的電器，它的效率一般可以達到85%，質量更好的可以達到95%甚至更高，而鐵芯片變壓器的效率只有70%或者更低。最近歐盟和美國消費者協會統計，美國一般家用電器和工業電氣設備的單機能源消耗指數大于92%。美國的“能源之星”對電子鎮流器、開關電源以及家用電器的都制定的都有很仔細的、非常嚴格的規章條款。（2）體積小，重量輕。據統計，100W的鐵芯變壓器的重量為1200g左右，體積達350cm3，而100W的開關電源的重量只有250g，而且敞開式的電源更輕，體積不到鐵芯變壓器的1/4。（3）開關電源具有各種保護功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當，發生短路或斷路的事故較多。（4）改變輸出電流、電壓比較容易，且穩定、可控。（5）根據人們的要求，可以設計出各種具有特殊功能的電源，以滿足人們的需求。2.1.2開關電源的分類目前開關電源的種類很多，從工作性質來分，大體上可分為“硬開關”和“軟開關”兩種。所謂硬開關，是指電子脈沖、外加控制信號強行對電子開關進行“開”和“關”，而與電子開關自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關。顯然，開關在接通和關斷期間是有電流、電壓存在的，因此這種工作方式是有損耗的。但是它比其他變換電源的形式簡單得多，所以硬開關在很多地方仍然在應用，如脈寬調制（PulseWidthModulation，PWM）器就屬于硬開關。目前，很多開關電源都用PWM來控制。另一類叫做軟開關，電子開關在零電壓下導通，在零電流下關斷?？梢?，電子開關是在“零狀態”下工作的，所以，理論上他的損耗為零，對浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很大，其工作頻率可以提高到5MHz以上，開關電源的重量和體積則可進行更大的改變。為了實現零電壓“開”和零電流“關”我們常采用諧振的方法。從電子理論可知道，諧振就是容抗等于感抗，總的電抗為零，電路中的電流無窮大。如果正弦波電壓加到并聯的電感回路上，這時電感上的電壓就無窮大。利用諧振電路可實現正弦波振蕩，當振蕩到零時，電子開關導通，稱之為零電壓導通（ZeroVoltageSwitching）。同樣，流過電子開關的電流振蕩到零時，電子開關關斷，稱之為零電流關斷（ZeroCurrentSwitching）?？傊?，電子開關具有零電壓導通、零電流關斷的外部條件，這種變換器稱為準諧振變換器。它是在脈寬調制器上附加諧振網絡而形成的，固定電子開關導通時間，通過調整振蕩頻率，最終使電路產生諧振，從而獲得準諧振變換器的模式。準諧振變換器開關電源的輸出電壓不隨輸入電壓的變化而變化，它的輸出電流也不隨用電負載的變化而變化，這種開關電源的主變換器依靠開關頻率來穩定輸出參數，我們稱之為調頻開關電源。調頻開關電源沒有脈沖調制開關電源那么容易控制，再加上準諧振電路電壓峰值高，開關所受的應力大，目前還沒有廣泛應用。2.2開關電源的工作原理所謂的開關電源就是利用時間比率的不同來控制電壓輸出的。在這里，有一個非常重要的名詞：占空比（DutyCycle），它的定義是這樣的：在一段連續的波形中脈沖高電頻持續的時間與周期的比值。調制可以根據所控制的元素不同分為脈沖頻率調制（PFM）、脈沖寬度調制（PWM）和混合調制。這三種調制分別有自己的優點和缺點：轉換效率最高的是混合調制，但是他的電路有些復雜，控制也不容易實現；空載或者輕載的時候效率比較低是脈沖寬度調制的缺點，但是特電路很簡單，控制容易實現，因此在當前很多的開關電源設計中，這種調試被廣泛應用。開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比調整輸出電壓，開關電源的工作原理可以用圖2-2進行說明。圖中輸入的直流不穩定電壓Ui經開關S加至輸出端，S為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調整管，若使開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經過濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩定的直流輸出電壓Uo。（a）電路圖（b）波形圖圖2-2開關電源的工作原理為了方便分析開關電源電路，定義脈沖占空比如下D=TON/T（2-1）式中，T表示開關S的開關重復周期；Ton表示開關S在一個開關周期中的導通時間。開關電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間有如下關系：Uo=UiD（2-2）由式（2-1）和式（2-2）可以看出，若開關周期T一定，改變開關S的導通時間Ton，即可改變脈沖占空比D，從而達到調節輸出電壓的目的。T不變，只改變Ton來實現占空比調節的穩壓方式叫做脈沖寬度調制（PWM）。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現最優化，因此PWM式開關電源用的較多。若保持Ton不變，利用改變開關頻率f=1/T實現脈沖占空比調節，從而實現輸出直流電壓Uo穩壓的方法，稱作脈沖頻率調制（PFM）。由于該方式的開關頻率不固定，因此輸出濾波電路的設計不易實現最優化。既改變Ton，又改變T，實現脈沖占空比調節的穩壓方式稱作脈沖調頻調寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調節的穩壓方式均有應用。2.3開關電源的組成開關電源的基本組成如圖2-3所示。其中進行功率變換的是DC/DC變換器，它是開關電源的核心部分；驅動器是開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號進行放大和整形，以適應開關的驅動要求；信號源產生控制信號，該信號由它激活自激電路產生，可以是PWM信號、PFM信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率、波形等，通過驅動控制開關器件的占空比，以達到穩定輸出電壓值得目的。除此之外，開關電源還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調制電路，在經過驅動電路控制半導體開關的通斷時間，從而調整輸出電壓。DC/DC變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振變換器應用較為普遍。開關電源的負載變換瞬態響應主要由輸出端LC濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關頻率、降低輸出濾波器LC的方法來改善瞬態響應特性。圖2-3開關電源的基本組成2.4開關電源的拓撲結構為了適應不同的輸出功率，開關電源有各種的拓撲結構：Buck結構、反激（Flyback）結構、Boost結構等。本章節都是在連續電流模式（CCM）上來討論的。2.4.1Buck（StepDown）降壓電路Buck電路的原理圖如下圖2-4所示：圖2-4Buck電路Buck電路就是降壓電路。在Q1導通的時候，C1就會開始充電，輸出電壓Vo加到負載R1的兩端，在C1充電的過程中，電感L1內的電流就會不斷的增加，儲存的刺成能量也會不斷地增加。這個時候續流二極管D1截止。當Q1截止的時候，L1中所儲存的磁場能量就會通過續流二極管D1傳遞到負載。當負載的電壓比電容C1兩端的電壓低的時候，C1就會向負載放電。根據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）根據式（2-3）可知，要控制輸出平均電壓的大小可以通過改變開關管的占空比來實現。因為占空比總是比1小的，所以Vo也是小于V1的，所以就說Buck電路是降壓電路。2.4.2反激（升降壓）電路反激電路的原理圖如下圖2-5所示：圖2-5反激電路它的工作原理是這樣的：在Q導通的時候，二極管D是截止的，根據電路的知識可以得到：VL=Vg，ic=-V/R；在Q截止的時候，二極管D是導通的，可以得到VL=-V/n，ic=i/n-V/R。2.4.3Boost（StepUp）升壓電路Boost電路的原理圖如下圖2-6所示：圖2-6Boost電路Boost電路就是升壓電路，在Q1導通的時候，能量就會從輸入電源流入并且儲存在電感L1中，此時二極管D1會反偏，負載由濾波電容C1供給能量，把儲存在C1中的電能釋放出來給負載R1上。當Q1截止的時候，電感L1中的電流不會發生突變，這時候二極管D1就會導通，電感中儲存的能量就會經二極管D1流入電容C1中，并供給負載R1。因為電感有伏秒平衡，即在一個周期內電感的伏秒乘積和為零。假如Q1導通時間Ton越大，那么Q1在截止的時候提供給負載的電壓就會越大。下面會通過具體的計算來進一步說明：根據伏秒平衡有下式（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是開關的導通時間，Toff是開關的截止時間；開關管的工作周期是T，占空比為D，D=Ton/T。通過改變占空比我們就可以獲得自己所需要的電壓，并且由于D總是比1小的，故V0也是一定大于V1，這樣我們就會很好的理解為什么Boost電路可以實現升壓的功能了。2.5開關電源中存在的問題客觀上講，開關電源的發展是非?？斓模@是因為它具有其他電源所無法比擬的優勢。材料之新，用途之光，是它快速發展的主要動力。但是，它離人們的要求、應用的價值還差得很遠，體積、重量、效率、抗干擾能力、電磁兼容性以及使用安全性都不能說是十分完美。目前要解決的問題有：（1）器件問題。電源控制集成度不高，這就影響了電源的穩定性和可靠性，同時對電源的體積和效率來說也是一個大問題。（2）材料問題。開關電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管燈都很笨重，也是耗能的主要根源。（3）能源變換問題。按照習慣，變換有這樣幾種形式：AC/DC變換、DC/AC變換以及DC/Dc變換等。實現這些變換都是以頻率為基礎，以改變電壓為目的，工藝復雜，控制難度大，始終難以形成大規模生產。（4）軟件問題。開關電源的軟件開發目前只是剛剛起步，例如軟開關，雖然它的損耗低，但難以實現高頻化和小型化。要做到“軟開關”應實行程序化，更是有一定的困難。要真正做到功率轉換、功率因數改善、全程自動檢測控制實現軟件操作，目前還存在很大的差距。第3章系統總體方案設計3.1方案比較與論證DC/DC主回路拓撲。方案一：采用隔離變壓器進行DC-DC變換，圖3-1所示的單管它激式反激型直流變換器。經過試驗，該方案的輸出紋波200mV,經濾波后可達到題目要求，效率約為80%。方案二：采用如圖3-2所示的Boost電路進行DC-DC變換。通過控制開關器件S的占空比來控制輸出電壓。這種方案電路結構簡單，工作穩定可靠，控制靈活方便。該電路效率高，經過實驗發現方案主回路效率可達到89%，其輸出紋波可以通過LC濾波電路控制，各項指標能夠達到題目要求 圖3-1隔離變壓器拓撲結構 圖3-2Boost變換器拓撲結構經過上述比較分析，方案一可以實現要求，但結構較復雜、成本較高；方案二不僅滿足要求且相對方案一，結構更為簡單、成本較低，故本系統選擇方案二。3.1.1優化方法及實現方案系統總體結構如圖3-3所示。交流側電壓經過變壓整流后送給電源系統，系統內部采用三路輸出反激開關作為輔助電源，分別給運放和數字電路供電，主回路通過Boost變換獲得一定精度的電壓，并經過線性調整獲得高精度輸出電壓。圖3-3系統結構框圖數字電路部分通過對輸出電壓、電流與溫度的檢測，以及通過D/A給定輸出電壓值，實現輸出電壓、電流的測量與設定以及故障和過熱保護。根據題目對電源的效率、負載調整率、電壓調整率、過流保護等要求，控制電路方案的選擇包含三個部分。（1）控制電路電源方案一：控制電路采用單電源供電。通過整流濾波得到UIN經過線性調壓后獲得+15V、+5V電壓，分別供給放大電路和數字電路使用。方案二：用線性調壓后獲得+15V、+5V電壓，用極性反轉型DC-DC變換電路獲得-15V。方案三：采用多路輸出的單管它激式反激型直流變換電路獲得+15V、-15V、+5V輔助電源。電路結構如圖3-4所示。這種方案雖然電路復雜，但具有以下優點：輔助電源的抗擾能力強，電網電壓在較大范圍變化時也能保證控制電路的電路電壓穩定；減小了線性降壓帶來的效率損失；有效地解決了運放雙電源供電問題。通過上述比較分析，由于方案三有較好的抗擾性、較高的效率，故本設計中采用方案三。該輔助電源采用UC3845控制器的反激式開關穩壓電源，可提供+15V、-15V和5V電壓。圖3-4輔助電源原理3.2電路設計與參數計算3.2.1主回路器件的選擇及參數計算系統主回路由DC-DC電路和線性調整電路構成，如圖3-5所示。對于主回路DC-DC變換器，主要計算及器件如下。圖3-5開關電源回路為了減低損耗，主開關選擇Fairchild的85N10（額定電流85A，耐壓100V，導通電阻8.5m）；續流二極管采用超快恢復二極管MBR20100，耐壓100V，額定導通壓降1V，允許通過電流20A，兩個二極管并聯工作可降低導通壓降，從而降低損耗。在二極管上并聯吸收網絡以抑制紋波。濾波電容：，系統中選擇：。電感計算：。線性調整電路原理如圖3-6所示，為了提高控制精度，設計中采用開環增益A=100dB的LM358運放進行開環放大，采用耐壓值為160Ｖ的三極管2383構建共射極放大電路，采用導通電阻為117m、電流為23A的IRF9540場效應管作為調整管，獲得了較高的綜合性能指標。圖3-6電壓、電流控制環回路3.2.2輔助電路設計輔助電源如圖3-7所示，由UC3845完成控制功能。用于產生+20V、-20V和+8V電壓，在經過以LM317為核心的雙核跟蹤式線性穩壓功能電路后得到+15V、-15V和+8V電壓，主要參數計算如下：峰值電流：. 變壓器原邊電感：圖3-7軟啟動電路示意圖變壓器原邊匝數：Npri=1000(Lpri/AL)1/2=20變壓器副邊匝數：Npri(Uo+UD)(1-δmax)/Uin(max)δmax，經計算20V取26匝，8V取10匝，反饋輔助繞組取15匝。濾波電容：Cout=Iout(max)Toff(max)/Uripple，考慮電容留有一定余量，濾波電容均取470。 反饋電阻：。3.2.3控制電路設計與參數計算本電路中，輸出電壓可以通過數字電路或模擬電路設定。模擬電路中，采用高精度的電壓基準LM399，該基準電壓輸出固定的7V電壓經過電位器分壓后獲得設定電壓Ur和設定電流Ir。線性調壓電路的輸出電壓值取決于設定電壓Ur，Uo=Ur/α。開關電源電路輸出電壓自動跟隨線性調壓電路的輸出電壓變化，使線性調壓電路壓差DDS恒定。該壓差可通過調節電位器設定為DDS=0.5V。3.2.4效率分析及計算系統主要由DC-DC變換器、線性調壓、輔助電源和數字電路構成。影響系統效率的因素主要有開關損耗、電感儲能損耗、整流二極管損耗、輔助電源損耗、線性調整電路和數字電路損耗。因此提高效率的方法有：合理選擇電路結構；適當降低開關頻率，并設計緩沖網絡降低開關斷損耗；加大主回路電流容量；選擇導通壓降小的二極管，并采用多個并聯的方法來降低二極管導通損耗；合理選擇磁芯和繞線規格，避免磁飽和并降低銅損；在電路中合理使用磁珠來抑制浪涌電流和浪涌電壓；減小或消除系統中的振蕩；降低控制電路部分的消耗、提高輔助電源的效率；合理分配各模塊的效率損失；降低線性調整管壓降。部分功耗如表3-1所示。表3-1主要損耗計算計算公式計算值/WMOSFET損耗1.7儲能電感損耗1.1整流二極管損耗1.6輔助電源損耗4.3線性調整功耗1.0 綜上分析，理論計算整個系統效率達到86.5%。3.2.5保護電路設計與參數計算保護電路實現限流保護，及當輸出電流達到設定上限時，輸出電壓自動下降，進入恒流控制。如圖2-6所示，電流采樣電阻。電阻上的壓降通過差動放大后與數字電路的A/D接口，當輸入電流為3A時，差放輸出4.5V，放大倍數為A=Uo/ΔU=30，并據此設計放大電路的外圍參數。3.2.6數字設定及顯示電路的設計數字設定及顯示電路用以實現鍵盤設定和步進調整、輸出電壓、電流的測量和數字顯示。控制芯片選擇PIC16F877單片機。鍵盤設定采用由HD7279驅動的44鍵盤來節省CPU資源，簡化程序編制。輸出電壓、電流的采用12864的LCD,設計了友好的人機界面。采用PIC16F877片內自帶的10A/D，對輸出電壓（0-40V）、電流（0-3A）進行測量，測量精度分別可以達到39mV、2.9mA。采用16位D/A轉換器MAX5541,對輸出電壓（0～40V）、電流（0～3A）進行設定，設定精度分別可以達到50mA、5mA。3.2.7特色設計軟啟動：電源開啟，整流橋經2.5的限流電阻后級電路充電，負載電壓升至22V時，繼電器吸合，電阻短路，電源正常工作。采用軟啟動功能有效地減小合閘浪涌電流。恒壓差控制：由開關電源電路初步穩壓，再由線性調壓電路進行精密的電壓控制，這種方法結合了開關電源的高效率和線性電路高精度、高穩定性、低紋波等優點，獲得了優良的整機性能，有效地提高整機效率、電壓控制精度、電壓調整率和負載調整率。單管反激多路輸出輔助電源：采用多路輸出的單管他勵式反激型直流變換電路電壓獲得+15V、-15V、+5V輔助電源，當電網電壓在較大范圍變化時也能保證控制電路電壓穩定，避免了線性降壓帶來的效率損失，有效地解決了控制電路供電問題。電流控制：采用限流保護，電流保護閥值可設定，因此系統可作為恒流源運行。系統狀態監測：采用PIC單片機實現輸出電壓、電流和功率管溫度的監測，并采用蜂鳴報警。計算機通信：可實現計算機與單片機的實時串行通信，在計算機中實時顯示輸出電壓波形和電壓、電流的值。液晶顯示：采用液晶屏顯示，節能、直觀、使用方便。第4章硬件設計4.1PIC16F877芯片PIC16F877是由Microchip公司所生產開發的新產品，它是屬于PICmicro系列單片微機，具有Flashprogram程序內存功能，它可以重復燒錄程序，適合開發新產品、教學等用途；因為它的內建ICD功能，可以讓使用者直接在單片機電路或者產品上，進行如暫停微處理器、觀看緩存內容等，讓使用者快速的進行程序除錯和開發。如圖4-1為PIC16F877的40根引腳圖，PDIP是指一般最常見的DIP（DualInLinePackage）包裝，而PIC單片機也有PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）和QFP（QuadFlatPackage）兩種不同的包裝形式，可以按照不同的要求，來用不同的包裝。如圖所示，每一根引腳都有他們特定的功能，就像Pin11和Pin32（VDD）為正電源引腳，Pin12和Pin31（VSS）就是地線引腳；然而有的引腳可以有兩種甚至三種以上的功能，就像Pin2（RA0/AN0）代表的就是PORTA的第一支引腳，它在系統重置（Reset）后，就可以自動的成為模擬輸入引腳，接收模擬信號，也可以經由程序規劃為數字輸出輸入引腳。圖4-140引腳PIC16F877接腳說明4.1.1PIC16F877特殊內嵌功能PIC16F877是屬于內嵌功能比較多的單片機，它除了有CPU、POM、RAM、I/O等基本的構造以外，還包括以下的各種功能，簡單的介紹如下：A/Dconverter：模擬數字轉換器，最多可以讀取8組模擬輸入信號。CCP：Capture、Compare、PWM，用來控制直流馬達。USART：UniversalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter，同步/異步串行傳輸，如RS232、RS485等等。MSSP：MasterSynchronousSerialPort，兩線式（I2C）和三線式（SPI）標準同步串行傳輸協定，一般用于EEPROM內存資料的讀取與燒錄，或者是和其他的集成電路溝通和聯系，構成多芯片網絡。4.2PIC16F877基本電路4.2.1PIC振蕩頻率電路單片機振蕩電路和整體系統的工作速度有著直接的關系，就像同步/異步串行輸出、定時器等，都和振蕩頻率有關，不同系列的單片機有著不一樣的振蕩頻率，根據產品資料手冊，PIC16F877的振蕩頻率最高可以達到20MHz；在圖4-2中，振蕩電路接于Pin13（OSC1/CLKIN）和Pin14（OSC2/CLKOUT），而振蕩電路有以下的四種形式：LP：使用低功率振蕩晶體（LowPowerCrystal）XT：使用振蕩器/諧振器（Crystal/Resonator）HS：使用高速振蕩器（HighSpeedCrystal/Resonator）RC：使用電阻/電容（Resister/Capacitor）一般常用的單片機振蕩源是振蕩晶體或者是諧振器，外接電路和PIC內部電路4-2所示。圖中電容C1和C2的規格大小是根據Crystal或者Resonator而有所不同的。圖4-2振蕩源電路圖4.2.2外加電源與重置電路PIC16F877的工作電壓為5V，鏈接Pin11和Pin32，Pin12和Pin31為地線接腳；重置電路連接Pin1，按下Reset后，內部指令重頭開始執行，系統重新運作。其電路如圖4-3所示：圖4-3電源與重置電路4.2.3輸入輸出接口PIC16F877除了上述基本的電路所占用的7支接腳以外，剩下的33支接腳都可以當成輸出、輸入接腳，輸出輸入端口是單片機的基本界面，它可以和周邊的電路進行電路控制和信號傳輸與檢測。PIC是8位的單片機，用接腳的特性來分組，每一組都要盡量湊滿8支接腳，并且要將I/O命名為PORTA（RA0-RA5）、PORTB（RB0-RB7）、PORTC(RC0-RC7)、PORTD（RD0-RD7）還有PORTE（RE0-RE2）等，各個分組的接口特性說明如下：PORTA：PIC16F877的PORTA一共有6個位(RA0-RA5）,PORTA的接腳可以用來當成數字輸出輸入端口，然而當系統重置以后，PORTA就會自動的成為模擬輸入狀態，就可以讀取模擬輸入信號。PORTB：PORTB一共有8個位（RB0-RB7），可以用來撰寫程序規劃輸入輸出的方向和狀態，其中，當他要進行燒錄的時候，會用到3支接腳，分別是Pin36（RB3/PGM）、Pin39（RB6/PGC）和Pin40（RB7/PGD）。PORTC：PORTC一共有8個位（RC0-RC7），其中除了可以用來當成數位I/O外，還和一些有特殊功能的周邊電路共享接腳，就像CCP（直流馬達控制）、I2C、SPI（同步串行輸入電路）、UART（異步串行傳輸電路）等等。PORTD：PORTD一共有8個位（RD0-RD7），可以作為一般數字I/O，并且和PSP（ParallelSlavePort）并列傳輸接口共享。當整體系統需要多單片機時，彼此就可以經由并列傳輸接口來快速傳送資料。PORTE：PORTE一共有3個位（RE0-RE2），PORTE的Pin8、9、10有三種功能，除了最基本的I/O功能外，還有模擬輸入功能，而上述PORTD的并列傳輸接口設定所需要的控制接腳，如/RD、/WR、/CS等，也是屬于PORTE接腳。4.3Boost（StepUp）升壓電路Boost電路的原理圖如下圖4-4所示：圖4-4Boost電路Boost電路就是升壓電路，在Q1導通的時候，能量就會從輸入電源流入并且儲存在電感L1中，此時二極管D1會反偏，負載由濾波電容C1供給能量，把儲存在C1中的電能釋放出來給負載R1上。當Q1截止的時候，電感L1中的電流不會發生突變，這時候二極管D1就會導通，電感中儲存的能量就會經二極管D1流入電容C1中，并供給負載R1。因為電感有伏秒平衡，即在一個周期內電感的伏秒乘積和為零。假如Q1導通時間Ton越大，那么Q1在截止的時候提供給負載的電壓就會越大。下面會通過具體的計算來進一步說明：根據伏秒平衡有下式（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是開關的導通時間，Toff是開關的截止時間；開關管的工作周期是T，占空比為D，D=Ton/T。通過改變占空比我們就可以獲得自己所需要的電壓，并且由于D總是比1小的，故Vo也是一定大于V1，這樣我們就會很好的理解為什么Boost電路可以實現升壓的功能了。第5章軟件設計5.1主程序設計流程圖主程序設計圖如圖5-1所示：圖5-1主程序設計流程圖本設計通過A/D對輸出的電壓、電流信號就行采樣，并且通過液晶屏顯示電壓、電流的數值。按照閉環控制的原理來維持輸出電壓的穩定，在單片機中實現數字PID的增量算法，對PWM的占空比進行實時調節，以確保在輸入電流、電壓改變或者負載改變過程中輸出電壓的恒定。同時，通過鍵盤輸入所需的幅值來實現輸出電壓可調。中斷服務程序流程圖如圖5-2：圖5-2中斷服務流程圖單片機在主程序中通過掃描鍵盤獲取輸入得鍵值，從而就可以得到輸出電壓的指令值。通過定時器中斷對電壓、電流信號進行采樣，根據電壓采樣數據對輸出的電壓進行PID調節。PID調節器控制FPGA產生PWM信號的占空比，從而維持輸出電壓的恒定。第6章系統調試與結果6.1系統調試系統調試使用的主要儀器有：UNI-T標準型數字萬用表；DS5062CA60MHz雙通道數字示波器；DF1731SBAB可調直流穩壓電源；PAK20-18A電壓源；EUC-300D電子負載；TDGC2-1自耦調壓器。調試采用自上而下、模塊化調試的方法，將系統分成輔助電源、DC/DC變換電路、線性調整電路和數字電路進行分塊調試，然后聯調，提高調試效率。6.2結果6.2.1電壓調整率測試方法：在Io=2A時，通過調整自耦變壓器改變U2，測量Uo的值（表6-1）。U2/V15.317.018.921.1Uo/V36.636.0135.9835.97表6-1測量結果由以上的測試結果可以算出，系統的電壓調整率達到了0.17%。6.2.2負載調整率測試方法：在U2=18V時，改變負載大小，測量Uo的值（表6-2）。Io/A012Uo/V36.0135.9935.97表6-2測量結果由以上測試結果可以計算出，系統的負載調整率達到0.11%。6.2.3效率測試方法：在、、時，通過測量、、、后計算得到。通過對輸入/輸出電壓、電流的測試，整個系統的效率為85.5%，略低于理論計算結果。原因是開關電源中損耗計算復雜，而且采用簡化公式計算，引起計算偏差；系統功能較多，控制系統復雜，消耗一定功率。因此，可以通過降低控制電路、調整管、整流二極管的能耗來提高整機效率。6.2.4保護功能測試測試方法：采用電子負載，逐漸加大負載電流，記下過流保護動作電流為2.510A，此時繼續加大負載電流，輸出電壓自動下降，電流變化范圍不超過50mA。結論畢業設計是每個大學生必須經歷的一關難題，這也是為了檢驗我四年來所學到的一些東西。大一大二的時候，我們所學的高數，英語等也是為了我們后面學習專業知識打基礎。后面所學的電路、模電、數電等一些理論知識在我們的畢業設計中充分顯示了我們對它們的掌握程度，也讓我明白了想要做好畢業設計，自己所學會的知識是遠遠不夠的。而且以前學習的都是理論知識，現在要做的就是把以前學習的理論知識結合起來，擺脫了單純學習理論的狀態。綜合了大三所學的電子技術、單片機技術、自動檢測技術、C語言等課程，用來解決設計中存在的問題，同時也提高了我辦公軟件的使用、格式的規范設計以及各種專業軟件使用的能力。本設計主要包括以下幾方面：(1)本系統采用Boost變換電路與線性調整電路相結合的穩壓電路，完成了開關穩壓電源的設計，通過電壓控制回路和電流控制回路閉環調整輸出電壓，當輸出電壓在15~21V范圍變化時，輸出電壓30~40V可調，電流0~2.5A可調，電壓紋波≤100mV，電壓調整率017%，負載調整率0.11%，系統效率85.5%，達到了題目的基本要求，基本滿足發揮部分的要求。(2)系統采用了“軟啟動”、“恒壓差控制技術”、并采用反激開關電源為控制電路供電。以PIC單片機為核心，設計了電壓，電流監測和溫度保護功能，使用了液晶顯示屏，并可以通過PC機顯示負載電壓，電流波形，系統功能完善，穩定可靠，使用方便。(3)通過調整控制環節的參數可進一步提高負載調整率。調整控制環節的結構和參數，并在前級采用LC濾波抑制直流電壓的波動可以進一步降低紋波。采用軟開關、同步整流、無損緩沖、電感優化及損耗合理分配等技術可以進一步提高效率。總之，通過這一段時間的畢業設計，讓我學到了很多，也讓我明白了想要做好一件事，知識的掌握程度是多么重要。大學四年的學習可以說是在最后的畢業設計得到了充分的體現，通過它讓我掌握了很多軟件的使用，包括辦公軟件的使用。也通過這次設計，加強了我的動手能力提升了我上網和去圖書館查閱資料的欲望。在對于程序方面，通過這次畢業設計讓我明白計算機二級沒有白考，使我在程序應用與編寫方面更加容易了一點。不管怎樣，畢業設計總算弄完了，做的好與壞都是自己這段時間辛苦奮斗出來的，畢業后再回想起這段廢寢忘食的經歷，也是會很開心的。參考文獻[1]袁慶龍，候文義．Ni-P合金鍍層組織形貌及顯微硬度研究［J］．太原理工大學學報，2001，32（1）：51-53.[2]

劉國鈞，王連成．圖書館史研究［M］．北京：高等教育出版社，1979：15-18．[3]孫品一．高校學報編輯工作現代化特征［C］．中國高等學校自然科學學報研究會．科技編輯學論文集（2）．北京：北京師范大學出版社，1998：10-22．[4]張和生．地質力學系統理論［D］．太原：太原理工大學，1998．[5]馮西橋．核反應堆壓力容器的LBB分析［R］.北京：清華大學核能技術設計研究院，1997．[6]姜錫洲．一種溫熱外敷藥制備方案［P］．中國專利：881056078，1983-08-12．[7]GB/T16159—1996，漢語拼音正詞法基本規則［S］．北京：中國標準出版社，1996．[8]謝希德．創造學習的思路[N]．人民日報，1998-12-25（10）．[9]王明亮．中國學術期刊標準化數據庫系統工程的［EB/OL］．/pub/wml.txt/980810-2.html,1998-08-16/1998-10-04． 致謝畢業設計是對我們大學四年學習的一個檢驗，通過這次畢業設計讓我重新掌握了之前所學習的一些理論知識，但是光是理論知識是遠遠不夠的，還要有自己親自動手才可以感受它的難易程度。這次畢業設計，最要感謝的便是我的導師xxxx副教授，她的鼓勵和細心教導下，讓我對本來很陌生的課題從不知道如何下手，到敢于動手去完成它，在這個過程中除了老師的教導以外，還要感謝我的室友我的同學，他們的幫忙讓我加快了完成課題的速度。當然畢業設計的順利完成，按時交差，我們的導師xxxx副教授是最辛苦的，她要很早提醒我們完成這一系列的事，而且每個人有什么錯誤，她都會一對一耐心指導，考慮我們有些人去參加實習不能在學校接受她的指導，她也會在網上對我們耐心指導。而且老師的樂觀態度是我最值得學習的地方，我們害怕完成不了，害怕完成不好，但是老師都會鼓勵我們，而且會給我們力量，讓我們覺得只要有她在，不會出現太大的錯誤。正因為老師的態度，這讓我對我自己的課題多了幾分信心。最后，我要感謝我大學生活中所有帶給我歡樂，和支持鼓勵我幫助過我的人，有了他們，才讓我的大學生活多姿多彩，也要感謝那些帶給我不愉快的人，正因為他們，才讓我不斷的成長。在最后的這段時間，特別感謝我的導師，有了她，讓我順利完成畢業設計，順利等待畢業。真誠的感謝她，祝愿她可以天天開心，永遠保持這種樂觀的態度，永遠年輕漂亮！學生簽名：日期：xxxx本科畢業設計（論文）PAGE29附錄1硬件電路原理圖附錄2源程序(1)匯編語言程序源代碼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語言程序源代碼//****************************************************************//包含文件，端口定義，程序開始//****************************************************************#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;//寫端口sbitR_D=P3^1;//讀端口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};//****************************************************************//延時函數//**************************************************************