电子系统设计创新与实践实习报告

开关稳压电源的设计

一、引言

【1】．设计要求

输入220V，50Hz交流；在电阻负载条件下，设计一个稳压电源使电源满足下述要求：

1、输出电压UO可调范围：30V～36V；

2、最大输出电流IOmax：2A；

3、U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；

4、IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；

5.输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

6.DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）

【2】设计系统特点

本系统的设计电路由AC-DC变换电路、DC-DC变换电路、设定与显示电路、保护和测量电路等四部分组成。AC-DC变换电路：由自耦变压器、隔离变压器、桥式整流堆、和滤波电容等元件组成，可以在隔离变压器副边输出15～21Ｖ的电压，滤波后给DC-DC提供直流电压。DC-DC变换电路:采用Boost 型拓扑结构，含有运放构成的固定频率脉宽调制电路,快速场效应管、电感等。本系统通过调节取样电阻形成闭环反馈回路，采样康铜丝上的电压反馈为输入端。本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等优点。

二、课题设计

随着社会飞速前进，用电设备与日俱增。但电力输配设施的老化和发展滞后，以及设计不良和供电不足等原因造成末端用户电压的过低，而线头用户则经常电压偏高。对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备，犹如没有上保险。不稳定的电压会给设备造成致命伤害或误动作，影响生产，造成交货期延误、质量不稳定等多方面损失。同时加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁配件，使业主面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备，浪费资源；严重者甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。

优点：

[1].功耗小，效率高。在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做

到几百或者近1000kHz 。这使得开关晶体管V 的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。

[2].体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V 上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

[3].稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

[4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz ，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500b 倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。

[5].电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。 1、基本原理设计方法

本系统的设计电路由AC-DC 变换电路、DC-DC 变换电路、设定与显示电路、保护和测量电路等四部分组成。AC-DC 变换电路：由自耦变压器、隔离变压器、桥式整流堆、和滤波电容等元件组成，可以在隔离变压器副边输出15～21Ｖ的电压，滤波后给DC-DC 提供直流电压。DC-DC 变换电路:采用Boost 型拓扑结构，含有运放构成的固定频率脉宽调制电路,快速场效应管、电感等。本系统通过调节取样电阻形成闭环反馈回路，

采样康铜丝上的电压反馈为输入端。本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等优点。

R L

U 1=开关稳压电源

2、原理框图

【1】开关稳压电源部分

【2】变压器部分

3、各个模块的分析

【1】DC-DC模块分析

如图，本设计采取的是并联式开关电源。并联式开关电源的工作原理比较简单，工作效率很高，因此应用很广泛。特别是在一些小电子产品中，并联式开关电源作为DC/DC升压电源应用最广。

【2】电源模块分析

电压模块由变压、整流、滤波、稳压四部分组成。整流部分采用的是单项桥式整流，滤波部分采用的是电容滤波，稳压部分采用的是三端集成稳压器。该模块可输出+12v、-12v、+5v电压。主要用于给单片机和运放供电。本设计的特点是输出电压稳定、输出电压波纹小、响应速度快。

【3】PWM模块分析

本设计采用单片机产生占空比可调PWM波形。T1计数，工作于方式2。T0定时，工作于方式1。T0置初值，定时时间到后使P2.1反转输出，作为T0计数脉冲串。T1计数满后使P2.0反转输出，产生PWM波形。用P1.0、P2.0增加和减少T0的计数初值，产生占空比可调PWM波形。

高电平时间=T0定时时间* T1计数值

【4】并联式开关电源的工作原理

图1-11-a是并联式开关电源的最简单工作原理图，图1-11-b是并联式开关

电源输出电压的波形。图1-11-a中Ui是开关电源的工作电压，L是储能电感，K 是控制开关，R是负载。图1-11-b中Ui是开关电源的输入电压，Uo是开关电源输出的电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Ua是开关电源输出的平均电压。当控制开关K接通时，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，

因此，在负载上会产生很高的电压。

4.1.2、模块分析

并联开关电路形式为Boost变换器。该电路是DC-DC变换器中最易于实现的，最常用的，最成熟的和输出电压等于或小于输入电压的非隔离型变压电路，且输入与输出负端是公共端。因为开关频率F对DC-DC电路的效率影响很大。若F 太低，充电电感、充电电容的体积太大，在保证充电电感量的前提下，线圈匝数增多，铜损耗加大。若F太高，可使充电电感和电容体积缩小，重量减轻，但充电电感的涡流损耗、磁滞损耗及其他元器件的分布参数的影响加大造成损耗加大。开关频率F的选择必须综合考虑诸多因素。

当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。线径的选择主要由本系统的开关频率确定。开关频率越大，线径越小，但是所允许经过的电流越小，并且开关损耗增大，效率降低。本系统采用的频率为44K，查表得知在此频率下的穿透深度为0.3304mm,直径应

为此深度的2倍，即为0.6608mm。选择的AWG导线规格为21#，直径为0.0785cm （含漆皮）.磁芯选择铁镍钼磁芯，该磁芯具有高的饱和磁通密度，在较大的磁化场下不易饱和，具有较高的导磁率、磁性能稳定性好（温升低，耐大电流、噪声小），适用在开关电源上。

开关管的选择：本设计中开关速度要求特别快，导通电阻要小，而且要求承受的电流也特别大。最终选择了IRF540，该芯片Ron=44毫欧，允许电流为33A,Vds=100V,能够实现要求。

【5】控制模块

控制部分用于控制PWM波形的占空比，以此来控制输出电压的大小。控制部分由单片机软件部分设计。

三、软件设计

1、//////变量地址声明///////////////////////////////

Key1 BIT P1.0 ;增加占空比按键

Key2 BIT P1.1 ;减小占空比按键

Pwm BIT P2.0 ;pwm输出端

Count BIT P2.1 ;辅助计数输出端

Flag BIT 20H ;调制标志位

Data0 DATA 30H ;TH1暂存区0，存放高电平时间常数

Data1 DATA 31H ;TH1暂存区1，存放低电平时间常数;命

;//////主程序开始/////////////////////////////////

ORG 0000H

SJMP START

ORG 000BH

AJMP TIM0

ORG 001BH

AJMP TIM1

ORG 0030H

START:

MOV SP,#60H

MOV TMOD,#61H ;T1计数，工作于方式2；T0定时，工作于方式1 MOV IE,#8AH

MOV TH0,#0FEH ;500us

MOV TL0,#0CH

MOV TH1,#0ECH ;20次，占空比50%

MOV TL1,#0ECH

MOV Data0,#0ECH

MOV Data1,#0ECH

SETB TR0

SETB TR1

SETB Pwm

SETB Flag

CLR Count

LOOP: ;增加按键检测

JB Key1,NEXT0

ACALL Delay

JB Key1,NEXT0

JNB Key1,$

INC Data0

DEC Data1

MOV A,Data0

CJNE A,#00H,Cont0;溢出（pwm最大值，即全是高电平输出）则返回初始值MOV Data0,#0ECH

MOV Data1,#0ECH

Cont0:

SJMP LOOP

NEXT0: ;减键检测

JB Key2,NEXT1

ACALL Delay

JB Key2,NEXT1

JNB Key2,$

DEC Data0

INC Data1

MOV A,Data0

CJNE A,#0D8H,NEXT1;溢出（pwm最小值，即全是低电平输出）则返回初始值

MOV Data0,#0ECH

MOV Data1,#0ECH

NEXT1:

SJMP LOOP

;//////定时器0中断服务子程序//////////////////////

TIM0:

CLR TR0

CPL Count

MOV TL0,#0CH

MOV TH0,#0FEH

SETB TR0

RETI

;//////定时器1中断服务子程序//////////////////////

TIM1:

CPL Pwm

CPL Flag

JNB Flag,Cont1

MOV TH1,Data0

SJMP Cont2

Cont1:

MOV TH1,Data1

Cont2:

RETI

;//////10ms延时子程序/////////////////////////////

Delay:

MOV R7,#13H

DL1:

MOV R6,#0FFH

DJNZ R6,$

DJNZ R7,DL1

RET

;//////程序结束///////////////////////////////////

END

四、实习的性质、意义

本课程是一门专业必修课,其实践性,应用性很强，是必不可少的一个重要学习环节。通过计算机网络工程实习,学生应掌握局域网的概念、拓扑结构、组成、规划与实施,组建典型的局域网,能给出组建的详细方案。深入了解典型网络操作系统的特点、安装、配置和应用。加深对理论教学内容的理解和掌握,使学生较系统地掌握局域网的设计和应用与网络管理的基本方法。为学生从事网络规划、设计、应用等方面的工作打下一定的基础。

五．学习心得体会

此次在为期三周的实习中，收获挺多。如果说我们以前学的都是一些理论知识，那么此次实习让我们经历了一次真正的实践。

这次的实习对我们来说无疑是一次较好的动手锻炼机会，因此从一开始就抱着一种较认真的态可在调试时仍然出现了一点小问题，但在同学的帮助下，得到了一点解决的办法。

这次的实习使我明白一个道理，在现代高速发展的今天，仅仅用一些理论知识来武装大脑是不够的，我们还需要用实际动手操作能力来装扮我们的双手，只有如此才不负祖国对我们的培养，做好祖国的接班人，为祖国贡献出自己的一份力量。

在整个的实习中我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。课程虽然结束了，但学习还没结束，我知道作为信息时代的大学生，作为国家重点培育的高科技人才，仅会操作鼠标是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。