開題報告水晶閃電球電源設計

1、開題報告水晶閃電球電源設計 北方工業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告書 題 目： 水晶閃電球電源的設計 指導教師： 專業(yè)班級： 電氣 11-1 班 學 號： 姓 名： 日 期： xx 年 3 月 19 日 一、 選題的目的、意義 閃電球，又叫等離子球，是一種新型的燈飾工藝品。其外觀為高強度玻璃球殼，球內(nèi)充有稀薄的惰性氣體，玻璃球中央電極。球的底部有一塊震蕩電路板，通過電源變換器，將低壓直流電轉變?yōu)楦邏焊哳l電壓加在電極上。球內(nèi)稀薄氣體受到高頻電場的電離作用而光輝四射。由于電極上電壓很高，故所發(fā)生的光是一些輻射狀的輝光，而當用手觸及球時，球周圍的電場、電勢分布不再均勻對稱，因此光線在手指的周圍處

2、變得更為明亮，產(chǎn)生的弧線順著手的觸摸移動而游動扭曲。在閃電球中，最為核心的局部就是其高壓電源局部。 高壓直流電源在日常的生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應用，尤其在軍事、醫(yī)療和絕緣測試等領域應用更為頻繁。傳統(tǒng)的高壓直流電源采用線性電源技術的較多，其產(chǎn)生高電壓輸出的過程通常是，從工頻交流電源得到交流供電，然后經(jīng)過高壓隔離升壓變壓器升壓，得到高電壓交流，再通過整流濾波最終輸出直流高電壓。它有半波整流，橋式整流、全波整流、倍壓整流、多相整流等多重接線方式，其中，半波整流電路的電路最簡單，缺點是所需的設備、元件耐壓要求高，體積重量大，多作為高壓測試試驗設備在實驗室的室內(nèi)環(huán)境中使用。相比于半波整流電路，橋式和全波

3、整流電路，雖然輸出電壓紋波小一些，但是體積和重量方面是相當?shù)?。如果高壓電源要求功率容量大的同時輸出高電壓紋波小的話，就要用到多相交流整流濾波技術實現(xiàn)。 隨著新技術的進步，新器件的涌現(xiàn)以及控制智能化的實踐等，電力電子技術不斷大步向前開展。開關電源現(xiàn)在已經(jīng)普遍地應用到高壓電源的研制中。根據(jù)開關電源技術的原理，使用功率開關器件能夠產(chǎn)生數(shù)十 khz 甚至更高頻率的脈沖方波或正弦波，使選用更小體積重量的高壓隔離變壓器、高壓電容和高壓整流二極管等成為可能，這樣高壓電源就可以使在很大程度上拋棄原有龐大的體積重量的限制。 整流濾波逆變倍壓整流輔助電源控制 反應高壓輸出市電輸入ac dc 圖 1：開關電源原理框

4、圖 如圖 1，輸入交流電源經(jīng)整流濾波單元后，轉換成直流電；之后 通過半橋、全橋等各種形式的逆變電路構成的逆變單元來產(chǎn)生得到高頻方波脈沖；然后，高頻方波脈沖進入高頻隔離升壓變壓器一次升壓，以及倍壓整流單元整流后二次升壓，將直流電壓升高到輸出高壓指標范圍；通過反應單元高壓分壓采樣，或者高壓隔離采樣，將輸出的高壓反應信號送到高壓電源的控制檢測單元；由高壓電源的控制檢測單元處理反應信號，調整開關管驅動信號脈沖的頻率或脈寬，改變在逆變單元內(nèi)功率開關管導通的頻率或時間，實現(xiàn)輸出電壓幅度的調節(jié)。高壓電源自從采用開關電源技術以來，就具備了開關電源與生俱來的很多優(yōu)點，比方，小型化效果好、控制性能較高、輸出紋波較

5、低、容易設置快速保護等。 隨著微電子集成技術的開展，在高壓開關電源控制領域中，數(shù)字控制方式超越了模擬控制方式，成為了熱門的研究方向。 數(shù)字化高壓電源能夠直接檢測電源的運行狀態(tài)，對工作環(huán)境和性能指標的離散性有很好的適應力，在同一硬件平臺下可以通過軟件靈活地改變控制算法、增刪控制和保護功能，使上位的發(fā)射機控制單元的檢測通信等需求得到滿足。另外，數(shù)字化高壓電源還可以通過軟件設置自動診斷、輸出量在線調整、故障告警管理等功能，提升高壓電源的自動化和智能化程度，提高電源系統(tǒng)的可維護性及可靠性。 比照模擬控制方式的特點，數(shù)字控制技術的優(yōu)勢在在于：可以實現(xiàn)模擬控制難以實現(xiàn)的先進復雜的控制方法；有效改善模擬器件

6、老化和溫漂引起的控制性能劣化，提高系統(tǒng)可靠性；控制算法由軟件編程實現(xiàn)，防止模擬器件參數(shù)離散性所引起的控制特性不一致；控制方法及參數(shù)的軟件修改簡便周期短本錢低；能使控制與監(jiān)測集成在一起，適應對電源系統(tǒng)不斷提高的智能化需求；在軟件編制方面通過更新控制算法、提高開關調節(jié)頻率和數(shù)據(jù)采樣精度，還可以更加優(yōu)化控制性能，以滿足系統(tǒng)多樣性的需求。 隨著現(xiàn)代技術的不斷開展,設備對高壓電源性能和功能的要求正在變得越來越嚴苛。新的高壓電源核心控制器除了調節(jié)電壓和電流等功率上的指標之外,其多樣化功能上的要求也必須得到滿足,比方,控制功能編程實現(xiàn)、輸出量在線調節(jié)、加電順序控制、自動診斷、實時監(jiān)測、多功能保護措施以及與上

7、位機的有效通信等。 而本次畢業(yè)設計，就是研究有關數(shù)字化高壓電源的設計制作方式，在能滿足功能指標的前提下，參加通信，顯示功能，使得數(shù)字高壓電源滿足實時監(jiān)測，遠程控制等現(xiàn)代化要求。 二、此題的根本內(nèi)容 開關電源中,通常逆變器有以下幾種:單端正激、單端反激、推挽、半橋、全橋等。其各種電路優(yōu)缺點比擬如表 1： 表 1：常見逆變電路優(yōu)缺點分析 電路 優(yōu)點 缺點 功率范圍 應用領域 正激 電路較簡單,本錢低，可靠性高，驅動簡單 變壓器單向激磁，利用率低 百瓦-千瓦 各 種 中 小功率電源 反激 電路簡單,本錢很低，可靠性高，驅動簡單 變壓器單向激磁，利用率低 數(shù)十瓦 小 功 率 電子設備，計算機設備，消

8、費 電 子設備電源 全橋 變壓器雙向激磁，容易到達大功率 結構復雜，本錢高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的驅動電路 百瓦-千瓦 大 功 率 工業(yè)用電源，焊接電源，電解電源 半橋 變壓器雙向激磁，沒有變壓器偏磁問題，開關較小，本錢低 有直通問題，可靠性低，需要隔離驅動電路 百瓦-千瓦 各 種 工 業(yè)用電源，計算 機 電 源等 推挽 變壓器雙向激磁，通態(tài)損耗較小，驅動簡單 有偏磁問題 百瓦-千瓦 低 輸 入 電壓的電源 因此，根據(jù)功率等級，選用反激電路作為拓撲電路進行設計。 在水晶閃電球中，水晶球本身相當于一個大電容，如果使用純直流供電，一次充電完成后，就無法輸出了，所以必須選用高壓脈沖直流電源

9、進行供電，使得水晶球能夠反復充放電，持續(xù)工作，從而電離球內(nèi)的氣體，產(chǎn)生輝光。 在電路設計方面，也存在模擬與數(shù)字兩種方案，相對于模擬方案，數(shù)字電源能夠更好地進行算法設計，后期調整，同時還有著模擬方案無法到達的通信功能，能更好地滿足現(xiàn)代電力電子行業(yè)對電源的新要求。 結合以上三點，本方案采用反激電路為主電路的數(shù)字開關電源方案。其設計框圖如圖 2： 220v交流輸入變壓器降壓整流降壓濾波直流降壓cpu驅動模塊反激逆變電路顯示模塊音量傳感器高壓變壓濾波上位機系統(tǒng)輸入模塊ac15vac12vdc12vdc3.3vdcpwm顯示信號分貝信號按鍵信號 實時數(shù)據(jù)設置量電流檢測電流檢測 電壓檢測驅動信號過流保護1

10、-10kv 圖 2：水晶球電源原理框圖 220v 的市電經(jīng)過變壓器一級降壓之后整流，再次降壓，濾波得到 12v 直流電壓，分別供應主電路與控制電路?？刂齐娐返碾妷航?jīng)直流降壓芯片 l1117 降為 3.3v，供應單片機及各模塊。運行時，由單片機產(chǎn)生pwm波形，通過驅動模塊產(chǎn)生適當?shù)尿寗有盘柨刂苖osfet開斷，使之逆變?yōu)楦哳l脈沖電壓，之后經(jīng)高壓變壓及二極管濾波之后，產(chǎn)生了高頻脈沖高壓直流電。在這整個過程中單片時機實時采集反激電路的電流，高壓電路的電流，電壓，形成閉環(huán)控制。在驅動模塊與反激電路中也設有硬關斷裝置，一旦過載，迅速切斷輸入信號，防止因 cpu 死機產(chǎn)生事故。 在其他外設方面，設有通訊模

11、塊，使之能與上位機通信，上位機上的軟件會根據(jù)收到的數(shù)據(jù)實時顯示運行狀態(tài)，并繪制出運行狀態(tài)曲線。同時，也可以通過上位機進行數(shù)據(jù)設置，改變輸出電壓與工作模式。顯示模塊方面，使用 tft 液晶進行顯示，也會實時輸出運行狀態(tài)波形，方便觀察。輸入模塊可以對電源進行設置，包括輸出電壓，頻率，運行模式，是否接受上位機命令等。音量傳感器作為水晶球電源的特定功能參加，配合周圍音量的大小，改變其開通與關斷狀態(tài)，使水晶球到達隨著音樂閃動的效果。 三、完成期限和主要措施 1-2 周 查閱資料，寫開題報告。 3 周 完善、提交開題報告，并開題。 4-7 周 提出設計方案，畫出 pcb 版，搭建硬件系統(tǒng)。 8-12 周

12、軟件調試，完成根本功能，進行精確性測試。 13-14 周 完善交互界面，進行穩(wěn)定性測試。 15-17 周 最后調試，總結，寫畢業(yè)論文，畢業(yè)辯論。 四、預期到達的目標 設計 根本 要求： 1， 掌握電力電子根本電路，設計閃電球高壓電源的電路，并采用altium designer 軟件繪制電路原理圖和 pcb； 2， 掌握高頻高壓變壓器的計算方法，完成高頻高壓變壓器的制作； 3， 采用 c 語言對單片機編程產(chǎn)生 pwm 波驅動 mosfet 完成輸出高壓電壓的控制，并能夠實時顯示相關參數(shù)及故障信息。 設計達成目標 1，輸出一定范圍內(nèi)可調的高頻脈沖直流高壓電； 2，帶有 tft 顯示模塊，可顯示當前

13、主要參數(shù)； 3，帶有觸控模塊，可以本地修改參數(shù)，并輸出； 4，帶有通信功能，可與上位機通信，實時監(jiān)測，并由上位機進行設置； 5，帶有聲控功能，閃電球可隨音樂節(jié)奏變化； 五、主要參考文獻 1王兆安，劉進軍.電力電子技術（第五版）.北京：機械工業(yè)出版社，xx 2謝衛(wèi).電力電子與交流傳動系統(tǒng)仿真.北京:機械工業(yè)出版社，xx 3陳堅.電力電子學電力電子變換和控制技術.北京：高等教育出版社，xx 4黃俊，王兆安.電力電子技術（第四版）.北京：機械工業(yè)出版社，2000 5林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術.北京：機械工業(yè)出版社，xx 6尹克寧.電力工程.北京：中國電力出版社，xx 7楊旭等編著.開關電源技術m. 機械工業(yè)出版社, xx 8(日)原田耕介主編,耿文學譯.開關電源手冊m. 機械工業(yè)出版社, xx 9滕旭,胡志昂編著.電子系統(tǒng)抗干擾實用技術m. 國防工業(yè)出版社, xx 10周志敏等編著.單片開關電源m. 電子工業(yè)出版社, xx 11張占松,蔡宣三編著.開關電源的原理與設計m. 電子工業(yè)出版社, xx 12王蓉. 高頻高壓開關電源的設計d.南昌大學,xx. 13廖谷然. 72kv/1.0a 靜電除塵用高頻高壓電源的設計與實現(xiàn)d.太原理工大學,xx. 14宮傳. 一種高頻高壓電源的研