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1、大学生电子设计竞赛 设计与实践,（第二讲）,电气信息学院电工学教研室 骆雅琴,2011.3.25,内容,开关电源的介绍 09年全国电子设计竞赛安徽赛区一等奖 09年全国电子设计竞赛一等奖 电子设计竞赛培训作业2,什么是电源,电源-电子设备的心脏 电流-输送动力和信息,什么是开关电源,两类电源： 线性稳压电源-工作在线性放大区 开关稳压电源-工作在开关状态,变换效率低，一般35%60%,变换效率高，一般70%95%,开关电源的发展,随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。 进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的
2、电源换代； 进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。,开关电源的组成：,一、主电路 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。,二、控制电路,一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去
3、控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定； 另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。,三、检测电路,除了提供保护电路中正在运行的各种参数外，还提供各种显示仪表资料。,四、辅助电源,提供所有单一电路的不同要求电源,开关稳压电源,开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体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。,开关控制稳压原理,开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开。 在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；
4、当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。 可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。,储能元件,由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。 电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。,电压平均值EAB,在AB间的电压平均值EAB可用下式表示： EAB=TON/T*E 式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和
5、关断时间TOFF之和）。 由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。,TRC控制原理,按TRC控制原理，有三种方式： 一、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 二、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM）导通脉冲宽
6、度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 三、混合调制 导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。,典型电路,降压式变换电路（Buck电路）,开关导通时等效电路 开关关断时等效电路,BUCK电路基本结构,等效的电路模型及基本规律,（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。 （2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小
7、，相对于电容上输出的直流电压Uo有：,电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。 （3）在开关过程中，电容电压有过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡。 （4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：,此增量将产生一个平均感应电势： 此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零。
8、这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这是电力电子电路稳态运行时的一个普遍规律。,想设计一个MPPT控制器，用的是BUCK电路，但不知道电路中的电感和电容参数如何选择？,答案 只要是输出电压低于输入电压都可以使用BUCK电路。电感的取值取决于最大脉冲宽度。也就是脉冲宽度越大，所取的电感量也越大。电容器主要起平波作用，与脉冲频率和负载的阻抗R有关，可以取RC10倍脉冲周期左右，具体看对输出纹波的要求。,电感和电容的取值需要根据开关频率计算,技术论坛,开关电源集成控制器,开关电源主要由主回路和控制回路组成。 主回路-将交流电网的电能传递给负载。 控
9、制回路-将按输入条件控制主回路的工作状态。 将控制回路集成化即称为开关电源集成控制器。,SG3525,开关电源集成控制器功能： 控制主回路-把交流电压变换成符合设计要求的高频方波脉冲电压。 电压调整-稳压控制。 提供保护-对电源和负载。 常用开关电源集成控制器是脉宽调制型-SG3525,SG3525应用,双端输出驱动MOS功率管的电路 图示SG3525输出驱动MOS功率管的电路。该电路十分简单，输出可以直接接一个变压器。此变压器初级不用中心抽头，它既能使次级电平移动，又能与主变换器的电路隔离。,开关电源设计,开关电源设计已成为电力电子学最重要的应用领域。然而，开关电源的原理看似简单，但实际上想
10、要设计一个好的电源，要涉及半导体物理、控制理论、磁学等众多学科，对设计者的专业要求很高，因此许多初学者历经艰苦，仍然不得其门而入。,09年全国电子设计竞赛 安徽赛区一等奖,光伏并网发电模拟装置（09年A题） 【本科组】 一、任务,安工大测控06、自动化06,，,系统总框图,图-12 数字示波器实测变压器输出波形图,图-13 模拟示波器实测变压器输出波形图,光伏并网发电模拟装置,摘要 本系统以ST7单片机为核心，由具有最大功率点跟踪的前级电路和产生高正弦度的逆变电路组成。本系统高频能量传输环节短，工作稳定性高，特性易于控制，逆变电路的工作状态好，系统效率高。系统中的高频开关管采用了隔离驱动，具有
11、抗干扰能力强、输出稳定。本系统具有频率、相位跟踪；具有输入欠压保护，输出过流保护，过热保护等功能，还具有波形失真度小、带载能力强等特点。 关键词：并网、DC-AC、最大功率点跟踪、ST7,主程序流程图, 09年全国电子设计竞赛一等奖,报告,二、电路和程序设计,测试数据：,电子设计竞赛培训作业2,基本要求,交一份设计报告，其内容有： （1）设计系统，并画出系统结构框图。 （2）比较最大功率点跟踪（MPPT）的两种方案，选择其中一种进行设计，并描述其原理、画出电路图和程序流程图。 （3）比较两种DC-AC变换器方案，选择其中一种进行设计，要求当RS=RL=30时，系统效率60%。输出电压uo的失真度THD5%。 （4）要求系统具有输入欠压保护功能，动作电压Ud（th）=（250.5）V （5）要求系统具有输出过流保护功能，动作电流Io（th）=（1.50.2）A。 （6）选择一种单片机来进行系统控制，画出单片机最小系统的接线图。 两周内交作业，骆老师邮箱：,
