开关电源设计
开关电源设计[20191215171402]
摘 要
开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持输出电压稳定的一种电源，开关电源一般由PWM控制器和开关管构成。随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。其中单端反激式开关电源以其设计简单，体积小巧、轻量和高效率等特点，被广泛地应用小功率电源领域。
本设计的目的是设计一个满载下输出12V/1.5A 的单端反激式开关电源，再利用稳压芯片和三端可调正电压稳压器分别做出一路5V电源和一路正电压可调电源输出。并且利用单片机和液晶显示器实时采集输出电压和实时显示。论文将从反激式开关电源的工作原理、整体结构设计流程、关键电路设计、单片机外围电路设计和单片机程序设计等方面进行介绍。在开关电源的原理方面，介绍几种基本电路和拓扑结构的选择；在整体结构设计方面，主要分析了开关电源的组成电路；在关键电路设计方面，进行了输入电路、变压器、控制电路和输出滤波电路等的设计；在单片机软硬件方便，进行了单片机的选型介绍，单片机片上资源的介绍，液晶显示器的介绍以及主程序的编写框架介绍。最后通过实际搭建电路和调试，论证本论文的可行性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电力电子；反激式开关电源；单片机；液晶显示器
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的选择及意义 1
1.2 反激式开关电源的发展和趋势 1
1.3 本课题的主要研究内容 3
第2章 反激式开关电源的工作原理 4
2.1 开关电源的几种基本拓扑 4
2.1.1 降压斩波电路 4
2.1.2 升压斩波电路 5
2.1.3 升降压斩波电路 6
2.2 拓扑的选择 6
2.2.1 拓扑选择需注意的问题 6
2.2.2 各拓扑的对比和分析 7
2.2.3 拓扑结构选择 8
2.3 本章小结 8
第3章 反激式开关电源关键器件的设计和选择 9
3.1反激变压器的工作原理 9
3.2反激式变压器的设计 9
3.2.1 反激变压器参数计算 9
3.2.2 反激变压器的绕制 11
3.2.3 降低高频变压器损耗 11
3.2.4 减小高频变压器的漏感 12
3.2.5 高频变压器的屏蔽 12
3.3 单片开关电源控制芯片的选择 12
3.3.1 单片开关电源的工作原理 12
3.3.2 TOP222Y的工作原理 13
3.4 线性光耦PC817 14
3.5 可调式精密并联稳压器TL431 15
第4章 反激式开关电源的电路设计 16
4.1反激式开关电源的设计流程 16
4.2输入保护及EMI滤波器的设计 17
4.3 输出电路的设计 18
4.4 稳压反馈电路的设计 19
4.5三端稳压芯片和可调输出正电压稳压器 20
4.5.1低压差三端稳压芯片LM2940-5.0 20
4.5.2三端可调正电压稳压器集成电路LM317 22
第5章 AVR单片机最小系统和液晶显示器 24
5.1 单片机的选型与介绍 24
5.2 AVR单片机内部ADC的介绍和实际应用 25
5.3 NOKIA 5110液晶显示器介绍 29
5.4 主程序框图介绍及主程序设计 33
第6章 总结和展望 36
参考文献 37
致谢 38
附录1 电路图 39
附录2 主体程序 41
附录3 实物图 50
外文翻译 52
英文原文 52
中文翻译 57
第1章 绪论
1.1 课题的选择及意义
开关电源和传统的线性电源工作原理是有区别的[1]。线性电源首先将交流电压经过工频变压器降压，再经过整流桥整流后得到脉冲直流电压，然后再经过大电容滤波得到相对稳定的直流电压。但是要想达到高精度的直流电压，一般必须经过稳压电路进行稳压。线性电源有很多优点，如性能稳定、没有高频纹波干扰等。但是缺点也很明显，如：发热、效率不高、体积较大，输入电压范围要求高、且没有超大功率的电源供选择等。所以基于现代电力电子技术的开关电源应运而生。
开关电源就是利用开关管，通过控制电路对其不断地进行导通和关断，即用脉冲调制技术对输入电压进行调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。然而早期开关电源的工作频率仅为几千赫兹，随着现代电力电子技术的不断发展（尤其是开关器件和磁性材料），开关频率才得以提高。由于磁性材料的体积和开关频率成反比，所以高频变压器及其他磁性材料的体积越小，电源的整体体积也越小，电源的能量密度也越高。
开关电源可根据有无变压器分类为隔离式和非隔离式，由于非隔离式开关电源相对比较危险，所以重点介绍隔离式的电路拓扑。隔离式开关电源按照结构形式又可分类为正激式和反激式。正激式是指当开关管导通时，变压器向副边传递能量；当开关管关断时，变压器储存能量。反激式则是指当开关管导通时，变压器储存能量，当开关管关断时，变压器向副边传递能量。
1.2 反激式开关电源的发展和趋势
开关电源的设计宗旨就是提高效率，最理想的情况就是能量没有损耗，能量完成从输入端传递到输出端给负载，这个时候开关电源完全只起到能量形式转化的作用。但是这在实际情况中是不可能实现的。实际工作中开关电源内部仍然有较大的能量损失，这部分损耗会以热能的形式表现出来。如：
1、开关器件（MOSFET和二极管）的损耗
开关器件的损耗主要包括导通损耗和关断损耗两部分。实际电路中任何回路都有阻抗，它们都会造成一定的能量损耗。当开关器件导通时会有电流流过，就会产生导通压降。MOSFET的导通损耗的原因是导通电阻，导通电阻通常比较小，二极管的导通损耗取决于自身的导通压降（通常相对比较大）。而关断损耗通常是由于反向漏电流引起的。
2、电感损耗
电感损耗包括线圈损耗和磁芯损耗，线圈损耗是由于线圈的直流电阻DCR，磁芯的损耗是由于电感的磁特性。磁芯损耗并不像线圈损耗容易估值，它由磁滞，涡流损耗组成。
3、电容损耗
有别于理想的电容模型，电容的物理特性导致了几种损耗。电容在电子电路里主要起到稳压、旁路、滤波等作用，但是这些损耗降低了开关电源的效率。这些损耗可以归结为等效串联电阻ESR损耗，漏电流损耗和电介质损耗。电容的阻性损耗比较直观，电流在流过电容时，将和电容的固有电阻产生损耗。漏电流损耗是由于电容绝缘材料的电阻导致较小电流流过电容而产生的功率损耗。电介质损耗的物理原理比较复杂，是因为在电容两端施加交流电后，电容的内电场发生变化而导致的内分子极化，从而造成一部分损耗。
国内外反激式开关电源发展的现状，也主要是基于以上的问题，表现在以下方面：
1、高性能的碳化硅功率半导体器件
其优点是通态电阻小，工作温度高（600℃），导热性能好，PN结耐压高，漏电流小等。
2、高频磁技术
随着开关电源的高频化，电路的某些电气性能会发生改变。其中高频对磁性器件性能的影响较大，比如它们的漏电感、绕组交流电阻和分布电容等会显著改变。所以对于新高频磁性材料要求有：损耗小、散热性能好等。
3、新型电容器
新型电容器要求充电时间短、电容量大、温度特性好、等效电阻ESR小、体积小和使用寿命长等。
4、功率因素校正（PFC）技术[2]
一般来说，功率因数较高的开关电源都由两级构成：在DC-DC变换器前再加一级功率因素校正（PFC）电路。但是这个对于小功率电源来说，不仅总体效率下降，而且成本增加。对于功率因素要求不高的情况下，用PFC和变换器构成小功率AC-DC电源，只用一个主开关管，可使功率因素校正到0.8以上。
5、电磁兼容研究
开关电源自身会产生电磁干扰（EMI），一般来说，这些干扰会随着开关电源频率的提高，输出功率的增强而提高。电磁干扰经过传导和辐射会对周围的用电设备产生干扰，影响它们的正常工作（对于高精度的电子仪器和通信设备的影响最大）。
1.3 本课题的主要研究内容
本文从基础的电路拓扑入手，进行分析和比较，最后选择反激式拓扑设计一个小功率的恒压电源，主要工作如下：
1、从理论上分析DC-DC变换器的原理；
2、采用PWM控制方法，构建DC-DC变换器的系统构架；
3、对关键电路的分析和设计；
4、对电路的仿真和验证。
论文结构如下：
第二章介绍最基本的DC-DC变换器（buck、boost）及其工作原理，从而推导出反激式拓扑的原理。第三章进行了反激式开关电源整体的设计，包括开关管，变压器的设计等。第四章给出了利用稳压芯片设计的5V电源输出和正电压可调电源输出电路的原理和设计。第五章给出了单片机最小系统和利用单片机内部AD进行输出电压测量和用液晶显示器进行显示的程序设计。第六章总结以前的工作，并提出进一步的研究方向。
第2章 反激式开关电源的工作原理
开关电源的拓扑有很多，但是最常用也是最基本的还是buck、boost和buck-boost电路[3]，本章将大概介绍几种常见的拓扑，并从中选择合适的拓扑来设计反激式拓扑结构。
2.1 开关电源的几种基本拓扑
2.1.1 降压斩波电路
图2.1 buck电路
降压斩波电路（buck chopper）的工作原理如下：
当开关管V导通时（Ton），电感L储能，电源向电容C充电并向负载供电。负载上的为电压Uo = Vin，且负载电流Io线性上升。
当开关管V关断时（Toff），电容中的储能通过续流二极管VD向负载放电。负载电流Io呈指数曲线下降。为了让负载电流处于连续模式，且减小负载电流脉动，通常需要串接感值较大的电感L。当开关管再次导通时，上面的步骤重复。
一个开关周期内负载上的平均电压值为
（2-1）
式中，Ton为开关管V处于导通的时间；Toff为开关管V处于关断的时间；T为开关周期；α为开关管的占空比。根据分析可知，负载上的电压平均值Uo最大值为Vin，所以可知，若降低开关管的占空比，则Uo 减小。因此将此电路称为降压斩波电路。
Buck电路的特点：
Buck电路只能降压，所以在任何情况下，输入电压始终高于输出。且buck电路既可以工作于电流连续模式，也可以工作于电流断续模式。
2.1.2 升压斩波电路
图2.2 boost电路
升压斩波电路（boost chopper）的工作原理如下：
当开关管V导通时（Ton），电感L储能（假设电源电压为E），充电电流恒定（假设充电电流为Ii），这期间的输出电流全部由电容C上的储能提供。且电感上储存的能量为E Ii Ton。
当开关管V关断时（Toff），IL 无法突变，所以电感上的电压极性反向，电感想电容充电，使电容C两端的电压泵升而高于输入电压Vin 。此时负载电流由电感上储存的能量提供，电感还补充电容单独向负载供电时所损耗的能量。这期间储能电感L所释放的能量为（Uo - E）Ii Toff。
摘 要
开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持输出电压稳定的一种电源，开关电源一般由PWM控制器和开关管构成。随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。其中单端反激式开关电源以其设计简单，体积小巧、轻量和高效率等特点，被广泛地应用小功率电源领域。
本设计的目的是设计一个满载下输出12V/1.5A 的单端反激式开关电源，再利用稳压芯片和三端可调正电压稳压器分别做出一路5V电源和一路正电压可调电源输出。并且利用单片机和液晶显示器实时采集输出电压和实时显示。论文将从反激式开关电源的工作原理、整体结构设计流程、关键电路设计、单片机外围电路设计和单片机程序设计等方面进行介绍。在开关电源的原理方面，介绍几种基本电路和拓扑结构的选择；在整体结构设计方面，主要分析了开关电源的组成电路；在关键电路设计方面，进行了输入电路、变压器、控制电路和输出滤波电路等的设计；在单片机软硬件方便，进行了单片机的选型介绍，单片机片上资源的介绍，液晶显示器的介绍以及主程序的编写框架介绍。最后通过实际搭建电路和调试，论证本论文的可行性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电力电子；反激式开关电源；单片机；液晶显示器
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的选择及意义 1
1.2 反激式开关电源的发展和趋势 1
1.3 本课题的主要研究内容 3
第2章 反激式开关电源的工作原理 4
2.1 开关电源的几种基本拓扑 4
2.1.1 降压斩波电路 4
2.1.2 升压斩波电路 5
2.1.3 升降压斩波电路 6
2.2 拓扑的选择 6
2.2.1 拓扑选择需注意的问题 6
2.2.2 各拓扑的对比和分析 7
2.2.3 拓扑结构选择 8
2.3 本章小结 8
第3章 反激式开关电源关键器件的设计和选择 9
3.1反激变压器的工作原理 9
3.2反激式变压器的设计 9
3.2.1 反激变压器参数计算 9
3.2.2 反激变压器的绕制 11
3.2.3 降低高频变压器损耗 11
3.2.4 减小高频变压器的漏感 12
3.2.5 高频变压器的屏蔽 12
3.3 单片开关电源控制芯片的选择 12
3.3.1 单片开关电源的工作原理 12
3.3.2 TOP222Y的工作原理 13
3.4 线性光耦PC817 14
3.5 可调式精密并联稳压器TL431 15
第4章 反激式开关电源的电路设计 16
4.1反激式开关电源的设计流程 16
4.2输入保护及EMI滤波器的设计 17
4.3 输出电路的设计 18
4.4 稳压反馈电路的设计 19
4.5三端稳压芯片和可调输出正电压稳压器 20
4.5.1低压差三端稳压芯片LM2940-5.0 20
4.5.2三端可调正电压稳压器集成电路LM317 22
第5章 AVR单片机最小系统和液晶显示器 24
5.1 单片机的选型与介绍 24
5.2 AVR单片机内部ADC的介绍和实际应用 25
5.3 NOKIA 5110液晶显示器介绍 29
5.4 主程序框图介绍及主程序设计 33
第6章 总结和展望 36
参考文献 37
致谢 38
附录1 电路图 39
附录2 主体程序 41
附录3 实物图 50
外文翻译 52
英文原文 52
中文翻译 57
第1章 绪论
1.1 课题的选择及意义
开关电源和传统的线性电源工作原理是有区别的[1]。线性电源首先将交流电压经过工频变压器降压，再经过整流桥整流后得到脉冲直流电压，然后再经过大电容滤波得到相对稳定的直流电压。但是要想达到高精度的直流电压，一般必须经过稳压电路进行稳压。线性电源有很多优点，如性能稳定、没有高频纹波干扰等。但是缺点也很明显，如：发热、效率不高、体积较大，输入电压范围要求高、且没有超大功率的电源供选择等。所以基于现代电力电子技术的开关电源应运而生。
开关电源就是利用开关管，通过控制电路对其不断地进行导通和关断，即用脉冲调制技术对输入电压进行调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。然而早期开关电源的工作频率仅为几千赫兹，随着现代电力电子技术的不断发展（尤其是开关器件和磁性材料），开关频率才得以提高。由于磁性材料的体积和开关频率成反比，所以高频变压器及其他磁性材料的体积越小，电源的整体体积也越小，电源的能量密度也越高。
开关电源可根据有无变压器分类为隔离式和非隔离式，由于非隔离式开关电源相对比较危险，所以重点介绍隔离式的电路拓扑。隔离式开关电源按照结构形式又可分类为正激式和反激式。正激式是指当开关管导通时，变压器向副边传递能量；当开关管关断时，变压器储存能量。反激式则是指当开关管导通时，变压器储存能量，当开关管关断时，变压器向副边传递能量。
1.2 反激式开关电源的发展和趋势
开关电源的设计宗旨就是提高效率，最理想的情况就是能量没有损耗，能量完成从输入端传递到输出端给负载，这个时候开关电源完全只起到能量形式转化的作用。但是这在实际情况中是不可能实现的。实际工作中开关电源内部仍然有较大的能量损失，这部分损耗会以热能的形式表现出来。如：
1、开关器件（MOSFET和二极管）的损耗
开关器件的损耗主要包括导通损耗和关断损耗两部分。实际电路中任何回路都有阻抗，它们都会造成一定的能量损耗。当开关器件导通时会有电流流过，就会产生导通压降。MOSFET的导通损耗的原因是导通电阻，导通电阻通常比较小，二极管的导通损耗取决于自身的导通压降（通常相对比较大）。而关断损耗通常是由于反向漏电流引起的。
2、电感损耗
电感损耗包括线圈损耗和磁芯损耗，线圈损耗是由于线圈的直流电阻DCR，磁芯的损耗是由于电感的磁特性。磁芯损耗并不像线圈损耗容易估值，它由磁滞，涡流损耗组成。
3、电容损耗
有别于理想的电容模型，电容的物理特性导致了几种损耗。电容在电子电路里主要起到稳压、旁路、滤波等作用，但是这些损耗降低了开关电源的效率。这些损耗可以归结为等效串联电阻ESR损耗，漏电流损耗和电介质损耗。电容的阻性损耗比较直观，电流在流过电容时，将和电容的固有电阻产生损耗。漏电流损耗是由于电容绝缘材料的电阻导致较小电流流过电容而产生的功率损耗。电介质损耗的物理原理比较复杂，是因为在电容两端施加交流电后，电容的内电场发生变化而导致的内分子极化，从而造成一部分损耗。
国内外反激式开关电源发展的现状，也主要是基于以上的问题，表现在以下方面：
1、高性能的碳化硅功率半导体器件
其优点是通态电阻小，工作温度高（600℃），导热性能好，PN结耐压高，漏电流小等。
2、高频磁技术
随着开关电源的高频化，电路的某些电气性能会发生改变。其中高频对磁性器件性能的影响较大，比如它们的漏电感、绕组交流电阻和分布电容等会显著改变。所以对于新高频磁性材料要求有：损耗小、散热性能好等。
3、新型电容器
新型电容器要求充电时间短、电容量大、温度特性好、等效电阻ESR小、体积小和使用寿命长等。
4、功率因素校正（PFC）技术[2]
一般来说，功率因数较高的开关电源都由两级构成：在DC-DC变换器前再加一级功率因素校正（PFC）电路。但是这个对于小功率电源来说，不仅总体效率下降，而且成本增加。对于功率因素要求不高的情况下，用PFC和变换器构成小功率AC-DC电源，只用一个主开关管，可使功率因素校正到0.8以上。
5、电磁兼容研究
开关电源自身会产生电磁干扰（EMI），一般来说，这些干扰会随着开关电源频率的提高，输出功率的增强而提高。电磁干扰经过传导和辐射会对周围的用电设备产生干扰，影响它们的正常工作（对于高精度的电子仪器和通信设备的影响最大）。
1.3 本课题的主要研究内容
本文从基础的电路拓扑入手，进行分析和比较，最后选择反激式拓扑设计一个小功率的恒压电源，主要工作如下：
1、从理论上分析DC-DC变换器的原理；
2、采用PWM控制方法，构建DC-DC变换器的系统构架；
3、对关键电路的分析和设计；
4、对电路的仿真和验证。
论文结构如下：
第二章介绍最基本的DC-DC变换器（buck、boost）及其工作原理，从而推导出反激式拓扑的原理。第三章进行了反激式开关电源整体的设计，包括开关管，变压器的设计等。第四章给出了利用稳压芯片设计的5V电源输出和正电压可调电源输出电路的原理和设计。第五章给出了单片机最小系统和利用单片机内部AD进行输出电压测量和用液晶显示器进行显示的程序设计。第六章总结以前的工作，并提出进一步的研究方向。
第2章 反激式开关电源的工作原理
开关电源的拓扑有很多，但是最常用也是最基本的还是buck、boost和buck-boost电路[3]，本章将大概介绍几种常见的拓扑，并从中选择合适的拓扑来设计反激式拓扑结构。
2.1 开关电源的几种基本拓扑
2.1.1 降压斩波电路
图2.1 buck电路
降压斩波电路（buck chopper）的工作原理如下：
当开关管V导通时（Ton），电感L储能，电源向电容C充电并向负载供电。负载上的为电压Uo = Vin，且负载电流Io线性上升。
当开关管V关断时（Toff），电容中的储能通过续流二极管VD向负载放电。负载电流Io呈指数曲线下降。为了让负载电流处于连续模式，且减小负载电流脉动，通常需要串接感值较大的电感L。当开关管再次导通时，上面的步骤重复。
一个开关周期内负载上的平均电压值为
（2-1）
式中，Ton为开关管V处于导通的时间；Toff为开关管V处于关断的时间；T为开关周期；α为开关管的占空比。根据分析可知，负载上的电压平均值Uo最大值为Vin，所以可知，若降低开关管的占空比，则Uo 减小。因此将此电路称为降压斩波电路。
Buck电路的特点：
Buck电路只能降压，所以在任何情况下，输入电压始终高于输出。且buck电路既可以工作于电流连续模式，也可以工作于电流断续模式。
2.1.2 升压斩波电路
图2.2 boost电路
升压斩波电路（boost chopper）的工作原理如下：
当开关管V导通时（Ton），电感L储能（假设电源电压为E），充电电流恒定（假设充电电流为Ii），这期间的输出电流全部由电容C上的储能提供。且电感上储存的能量为E Ii Ton。
当开关管V关断时（Toff），IL 无法突变，所以电感上的电压极性反向，电感想电容充电，使电容C两端的电压泵升而高于输入电压Vin 。此时负载电流由电感上储存的能量提供，电感还补充电容单独向负载供电时所损耗的能量。这期间储能电感L所释放的能量为（Uo - E）Ii Toff。
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