数控恒压电源的设计及制作.doc

数控恒压电源的设计与制作 系 （部） 院：物理与机电工程学院 专 业：电子信息科学与技术 作 者 姓 名： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 目录摘要31 前言42 总体系统方案设计52.1系统方案设计52.1.1稳压源的技术指标与要求62.1.2总体设计框图62.2具体方案论证与实现方法62.2.1 开关电源的定义62.2.2 开关电源的分类72.2.3 DC/DC变换72.2.4 AC/DC变换8 2.3 开关电源的选用92.3.1输出电流的选择92.3.2接地92.3.3保护电路10 2.4 开关电源技术的发展动向10 2.5 开关电源的工作原理和特点113 主要元器件介绍134 硬件结构设计14 4.1稳压电源部分14 4.2显示部分145 系统软件设计156 总结.17参考文献19数控恒压电源的设计与制作摘要该数控稳压电源模块是集模拟调整和数字控制功能于一身，小巧精致，输出电压0-20.0V可调，步进0.1V，最大连续2A电流输出能力。模块带有掉电预设电压存储功能，并留有两组快捷存储电压，与传统降压模块相比，更为方便快速的调出所需电压。自带数码管显示，并带有数字电压表功能，配合按键，方便查看预设电压、输入电压、输出电压，包含了种种更为实用的功能，更具人性化、可视化。关键词：LM2596芯片 数码管 稳压电源 预设电压1 前言随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自源，因此，电源越来越受到人们的重视。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐步取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了！开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制PWM开关电源效率可达 6570，而线性电源的效率只有3040。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。 随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。 2 总体系统方案设计2.1系统方案设计根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。主要包括三大部分：数字控制部分、模拟/数字转换部分（D/A变换器）及可调稳压电源。数字控制部分用+、- 按键控制一可逆二进制计数器，二进制计数器的输出输入到D/A变换器，经D/A器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以0.1V的步进值增或减。图3.12.1.1稳压源的技术指标与要求 设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源。基本要求如下：(1)、输出直流电压调节范围010V(2)、输出直流电压能步进调节，步进值为0.1V。(3)、由+、-两键分别控制输出电压步进增和减。(4)、输出电压类型可选：三角波、方波、直流电压。2.1.2总体设计框图图22.2具体方案论证与实现方法2.2.1 开关电源的定义开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关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。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。开关电源的三个条件：1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流2.2.2 开关电源的分类人们的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，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、薄、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/DC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。 2.2.3 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Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： （1） 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。 （2） 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。 （3） 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。 （4） 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，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本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27 W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。 2.2.4 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EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，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，也就对内部高密度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，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。2.3 开关电源的选用 开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.51）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点： 2.3.1输出电流的选择 因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： Is=K*If式中：Is开关电源的额定输出电流； If用电设备的最大吸收电流； K裕量系数，一般取1.51.8； 2.3.2接地 开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000EN61000FCC等EMC限制，形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。 2.3.3保护电路 开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。 2.4 开关电源技术的发展动向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、薄的关键技术是高频化，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件的损耗，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（Bs）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、薄。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、ZCS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，使得产品的的可靠性大大提高。 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，可以设计成N1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。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，以使得该项技术得以实用化。 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，就必须走技术创新之路，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。2.5 开关电源的工作原理和特点开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热。成本很低。如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意义。开关变压器也不神秘。就是一个普通的变压器。这就是开关电源。开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种，隔离型的必定有开关变压器，而非隔离的未必一定有。简单地说，开关电源的工作原理是： 1.交流电源输入经整流滤波成直流； 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上； 3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载； 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰； 在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出；一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。以上说的就是开关电源的大致工作原理。 其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片，可以使外围电路非常简单，甚至做到免调试。 计算机开关电源的发展经过了AT、ATX、ATX12V三个发展阶段。AT标准是由IBM早期推出PC/AT机时所提出的，提供+5V、-5V、+12V、-12V四组电压，具备硬开关。ATX标准的产生具有划时代的意义，实现了软开机关机，可以通过远程网络唤醒，增加了+3.3V、+5VSB输出。ATX12V是CPU等硬件发展的产物，主要是增加了+12V的输出能力。开关电源技术参数输入电压1正常情况下，交流输入的电源也可以用于直流输入。2当交流输入电压范围为85-264VAC，直流输入电压范围为120-370VDC；当交流输入电压范围为210-370VDC，或根据开关选择输入范围为85-132VAC/170-264VAC。输入冲击指的是电源冷启动时的最大瞬间输入电流。 多路输出1：在多路输出电源中所列出的电流是每路输出的最大电流，每路输出的总值均不超过系列电源额定功率范围。正常情况下，多路输出电源的V1输出是独立于其他几路输出。对于共地产品，只需将V1的+/-极相应端子与其他几路的其他端子相连即可。2：对于多路输出的负载调整率的测试，是将被测试的那一路输出 负载在额定值的20%-100%变化，其它各路输出负载都保持在额定值的60%进行。 输出功率如果将输出电压调高，那么输出电流将相应减少以保持总功率不变。如果将输出电压调低时，输出电流应不超过标准额定值。输出纹波与噪声 ：1 低频纹波：频率为输入AC电源频率的2倍(直流输入时无此项)。 2 高频纹波：频率与开关电源的内部脉冲调制(PWM)频率相同。 3 开关噪声：与开关脉冲的频率相同中。 4 随机噪声：与交流输入电压及开关频率无关。工作温度指电源在正常工作时的环境温度，如电源安装在设备的机箱内，工作温度就指机箱内部温度，而非室内或室外温度。因此如果电源的工作温度超过额定标准，建议用户按电源功率定额值的2%/减额使用或采取风冷措施以使工作温度低于额定的最高工作温度。3主要元器件介绍LM2596芯片 数码管 稳压电源 预设电压IN+：输入正极IN-： 输入负极OUT+：输出正极OUT-： 输出负极输入电压范围：4.5-23V（23V为极限最高电压，请一定留余地使用否则将损坏）输出电压范围：0-20.0V（降压模式，输入 必须大于输出3V以上）按键控制可以快捷调出2组数据输出电流：最大2A输出 输出功率：最大30W纹波频率：330Khz左右 纹波峰峰值：50mV(典型)尺寸：48mm*31.5mm*21mm 重量：20克/只电压显示：分辨率100mV,输入电压/输出电压双显示。4 硬件结构设计4.1稳压电源部分图4.1在图4.1中，该部分主要是由三端稳压器LM7812、LM7912、LM7805和若干个电容、二极管元器件组成，220 V市电经220 V12 V变压器降压后得到的双12 V交流电压，经三端稳压器LM7812和LM7912得到+12 V和-12V，再经过LM7805得到+5 V的电压。4.2显示部分 在图4.1中，显示部分比较简单，主要是由两个数码管和若干电阻组成，两个数码管分别显示电压的个位和十分位，该部分是由单片机完成的，数码管的各端口以依次连到AT89S51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口，完成对电压的显示功能。图45 系统软件设计图7主程序流程如图7所示。本电路采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达0.1V，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。6 总结在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的设计，在以后的学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。同时，通过本次设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义。在本次设计过程中,对纹波也没有提出严格要求,所以常用的稳压集成电路就可以满足要求。在电路中采用了模拟器件和数字器件所以需要+5V、和-15V 电源供电。本设计输出的电压稳压精度高，可以用在对直流电压要求较高的设备上，或在科研实验室中当作实验电源使用。同时，通过本次设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高；通过使用电路CAD 软件