開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)報(bào)告模板二-方案框圖

方案框圖及敘述： DC-DCbuck降壓型直流變換電路是開(kāi)關(guān)變換中最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。輸入電壓在開(kāi)關(guān)管Q1動(dòng)作下調(diào)制成高頻方波，經(jīng)低通濾波器輸出穩(wěn)定的直流電壓,且Vo=Vin*D。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件較少，損耗低，效率高。但由于輸入輸出之間沒(méi)有電氣隔離，輸出電壓受限于占空比，因此限制了其應(yīng)用。boost升壓型直流變換電路是從低壓輸入得到高壓輸出的開(kāi)關(guān)調(diào)整器。其基本工作原理是，Q1導(dǎo)通時(shí)，電感L1儲(chǔ)能，輸出電容提供負(fù)載能量，Q1關(guān)斷期間，電感和輸入電壓一起給負(fù)載供電，并且給輸出電容充電。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用器件較少，效率較高，但輸出電流紋波較大，升壓范圍受到占空比的限制。正激變換 正激變換是單開(kāi)關(guān)管的變換電路。在開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，利用變壓器將能量從一次側(cè)傳遞到二次側(cè)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，輸出濾波電感和濾波電容給負(fù)載供電。由于一、二側(cè)之間用變壓器傳輸能量，因此可以升壓，可以降壓，具備電氣隔離，能很方便的輸出多個(gè)繞組。但由于變壓器的磁芯僅工作在磁滯回線的第一象限，因此需要施加去磁回路。而且一般的正激變換電路的占空比不能大于0.5，否則有可能不能完全去磁，使變壓器磁芯飽和。反激變換 反激變換是一種隔離的小功率變換拓?fù)洹Ｔ陂_(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，變壓器原邊存儲(chǔ)能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，線圈中的磁場(chǎng)能量會(huì)在副邊產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需磁復(fù)位電路，相比其他的拓?fù)渖倭艘粋€(gè)濾波電感，因此體積小，成本低。缺點(diǎn)是磁芯磁場(chǎng)直流成分大，需加入氣隙防止磁芯飽和，造成較嚴(yán)重的電磁輻射。而且輸出電流紋波較大。推挽變換 推挽變換器由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)帶中心抽頭的變壓器組成，兩個(gè)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖相位相反，開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，特別適合低壓輸入，升壓輸出的場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但其開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力是2倍的輸入電壓，變壓器的繞制也比較麻煩。半橋變換 半橋變換是一種應(yīng)用較廣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力僅為直流輸入電壓，而不是像推挽拓?fù)涑惺?倍電源電壓。因此其適用于輸入電壓較高的場(chǎng)合。而且半橋的變壓器初級(jí)線圈只需一個(gè)繞組，方便繞制。但半橋的電壓利用率不高，不適合低壓場(chǎng)合，并且驅(qū)動(dòng)比較麻煩。全橋變換 全橋變換同時(shí)具有推挽拓?fù)潆妷豪寐矢吆桶霕蜃儞Q電壓應(yīng)力不高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于工作電壓高，輸出功率大的場(chǎng)合。其開(kāi)關(guān)管Q1、Q4分為一組，Q2、Q3分為一組，工作時(shí)總是一組接通，一組關(guān)斷。其適應(yīng)性廣，效率高。但由于有四個(gè)開(kāi)關(guān)管交替工作，其開(kāi)關(guān)損耗不可忽略，并且對(duì)驅(qū)動(dòng)的一致性要求很高，使得驅(qū)動(dòng)的制作比較復(fù)雜?？刂茊纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)的PWM用單片機(jī)產(chǎn)生，用單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。這種方案的優(yōu)點(diǎn)的是可以省去大量的硬件電路設(shè)計(jì)，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。但對(duì)軟件的編程要求高，難度大，并且單片機(jī)的可靠性影響系統(tǒng)的性能。硬件電路和單片機(jī)共同控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制部分由硬件電路實(shí)現(xiàn)，而單片機(jī)進(jìn)行輔助控制。其優(yōu)點(diǎn)是可以充分發(fā)揮硬件電路的優(yōu)勢(shì)，而又可以用單片機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有更大的靈活性。其不足是硬件電路的設(shè)計(jì)較復(fù)雜。整流整流二極管整流輸出級(jí)采用不可控整流方式，并且依據(jù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用不同的形式。這種方法簡(jiǎn)單易行，可靠性好，但由于整流二極管本身的壓降和反向恢復(fù)問(wèn)題，使得其在低壓輸出的系統(tǒng)中損耗很大，影響了效率的提高。同步整流同步整流是指用低Ron的MOS管取代整流二極管，由于需要控制脈沖控制其通斷，因此又稱可控整流。其優(yōu)點(diǎn)是損耗低，功率密度更大。但由于需要與電路結(jié)構(gòu)的時(shí)序同步，因此其控制較復(fù)雜，還需做驅(qū)動(dòng)整形電路。 DC-AC總體方案1、單級(jí)變換結(jié)構(gòu)。使用單級(jí)變換將輸入直流電壓直接轉(zhuǎn)換成交流電，由于輸入電壓有限，必須用工頻變壓器升壓。此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用器件少，可靠性好，效率高。但由于需要工頻變壓器升壓，其繞制麻煩，體積笨重。 2、多級(jí)變換結(jié)構(gòu)。采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，前級(jí)采用推挽升壓變換，后級(jí)采用橋式逆變電路將直流電壓變換成交流電。由于前后兩級(jí)相對(duì)獨(dú)立，使得后級(jí)的逆變環(huán)節(jié)靈活性很大。而其高頻化的應(yīng)用也有利于減小體積，達(dá)到更高的功率密度。因多級(jí)變換是每個(gè)子系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)，因此其整體的效率不如單級(jí)變換結(jié)構(gòu)。 逆變主體電路半橋型逆變拓?fù)浒霕蚰孀冸娐肥墙Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的逆變電路。其中D1、D2是續(xù)流二極管，C1、C2是分壓電容，要求其值相等并且足夠大。半橋逆變的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用開(kāi)關(guān)器件少。但其輸出交流電的幅值只有直流電源電壓的一半，因此半橋電路常用于小功率的逆變場(chǎng)合。全橋型逆變拓?fù)淙珮蛐湍孀冸娐房梢钥醋鰞蓚€(gè)半橋電路的組合，是逆變電路中應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)。全橋逆變電路開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力不高，輸出功率大，控制方式靈活，在較低的開(kāi)關(guān)頻率下可以得到較好的諧波抑制。但使用器件多，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜?？刂品桨?1、SPWM硬件電路加單片機(jī)輔助控制。采用全硬件電路實(shí)現(xiàn)SPWM的產(chǎn)生和控制，或者采用專用的SPWM控制芯片，而單片機(jī)根據(jù)變頻要求輸出頻率變化的標(biāo)準(zhǔn)參考正弦波供給硬件電路調(diào)制，最終輸出頻率變化的正弦波。此方法實(shí)時(shí)性能好，系統(tǒng)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)。采用單片機(jī)控制。使用性能良好的單片機(jī)產(chǎn)生基波頻率可以調(diào)節(jié)的SPWM波，經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)全橋電路，濾波后輸出變頻正弦波。如此則逆變環(huán)節(jié)可大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)運(yùn)行靈活性高，控制方便。但缺點(diǎn)是單片機(jī)實(shí)時(shí)性能欠佳，并且在強(qiáng)開(kāi)關(guān)干擾下一旦進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行，則系統(tǒng)易出現(xiàn)控制故障，影響系統(tǒng)性能。電壓反饋方式采用輸出電壓平均值反饋逆變輸出交流電壓經(jīng)整流轉(zhuǎn)化為平均值，與輸出給定比較后，產(chǎn)生誤差信號(hào)改變SPWM。平均值反饋控制方式簡(jiǎn)單易行，對(duì)輸出可連續(xù)調(diào)節(jié)并可以保持較好的穩(wěn)態(tài)誤差。但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，負(fù)載適應(yīng)性不佳。采用輸出電壓瞬時(shí)值反饋瞬時(shí)值反饋采樣的是輸出電壓的同步峰值。將輸出采樣電壓過(guò)零比較后可以得到采樣的同步觸發(fā)信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)觸發(fā)信號(hào)延時(shí)后采樣峰值。瞬時(shí)值控制可以在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)的調(diào)控輸出電壓，提高逆變的供電質(zhì)量。瞬時(shí)值采樣的缺點(diǎn)是輸出電壓存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。SPWM調(diào)制方式單極性調(diào)制單極性調(diào)制的特點(diǎn)是調(diào)制信號(hào)和SPWM波形具有相同的正負(fù)極性。由于其載波的對(duì)稱性，輸出電壓中沒(méi)有偶次諧波，因此高頻分量易于濾除。但其中卻含有少量的低頻諧波分量。因?yàn)槠漭敵鲭妷褐邪汶娖?，因此單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路。雙極性調(diào)制雙極性調(diào)制的主電路比較簡(jiǎn)單，可以用于半橋或全橋電路。并且雙極性的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)也比單極性的容易處理。但是其輸出信號(hào)的諧波含量隨著調(diào)制比的減小而大幅度增加，因此不適合用于調(diào)制比變化范圍較大的場(chǎng)合。單片機(jī)選擇MSP43016位單片機(jī)MSP430單片機(jī)是德州儀器公司推出的16位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器。其主頻為8MHz，內(nèi)設(shè)資源豐富，功耗極低。但運(yùn)算能力不高，不能有效的處理快速變化的信號(hào)。2、STM32是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的高性能，低功耗的32位處理器。其工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具有豐富的增強(qiáng)型I/O端口。STM32工作可靠，編程靈活，軟件編程可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法和邏輯控制，實(shí)用性強(qiáng)。提高效率的方法與實(shí)現(xiàn)論證 在開(kāi)關(guān)電源中，影響效率的因素主要有整流管損耗，變壓器損耗和開(kāi)關(guān)管損耗。本系統(tǒng)中的輸出電壓較高，為了達(dá)到較好的效率，減少整流的功率消耗，副邊整流使用肖特基二極管，其正向壓降低，反向恢復(fù)時(shí)間小，有利于減少輸出整流損耗。變壓器損耗主要是銅損和鐵損，銅損主要考慮導(dǎo)線的載流密度和溫升，鐵損主要是變壓器磁芯的渦流損耗。因此合理的選用載流導(dǎo)線和磁通變化可以提高變壓器的效率。同時(shí)，采用一定的繞法可以減小漏感，提高變壓器的利用率。開(kāi)關(guān)管的損耗主要有開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)管的平均電流和導(dǎo)通內(nèi)阻有關(guān)，推挽拓?fù)涞脑叿逯惦娏鬏^低，比較適合升壓。同時(shí)采用低導(dǎo)通內(nèi)阻的開(kāi)關(guān)管可以減小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗。開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，在硬開(kāi)關(guān)的使用條件下，可以降低開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗。恒功率控制框圖輸入電壓經(jīng)功率變換電路變頻整流(開(kāi)關(guān)管高頻斬波，再經(jīng)