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1、本科毕业设计（2008届）题 目学 院专 业班 级学 号学生姓名指导教师完成日期杭州电子科技大学本科毕业设计摘 要开关电源以其效率高、体积小等众多优点在现代电子领域中越来越独树一帜。本系统以BUCK斩波电路为核心，以AT89C51单片机为主控制器和AT89C2051的I/O口产生PWM控制信号，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。硬件部分，通过AD采样对输出、输入电压、输出电流进行采样，通过比较所采集的电流、电压信号，控制PWM波的占空比，从而控制DC/DC变换器实现稳压输出；软件部分主要包括调节PWM的占空比，AD采样，比较输出、入电压，设定过流、过压保护
2、，以及界面显示部分。系统特色：1）系统输入电压10V，输出电压3V8V 可调，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到2A，电压调整率和负载调整率小，DC-DC变换器的平均效率达到85.08%。2）具有可靠的保护功能，如：过流保护、欠压保护等，保证了系统的可靠性。关键词：开关电源；BUCK斩波电路；PWM；单片机 ABSTRACTThis system with BUCK chopper circuit at the core uses the AT89C51 as its main controller as well as the PWM single generation by AT
3、89C2051 , the system achieves the steady output voltage through ragulating PWM signal which depends on the feedback and carriying out dependable closed loop control. It can supply adjustable volts D.C. of 3V8V, and it also can be initialized and stepping ragulated by keyboard. The largest output cur
4、rent is up to 2A, the regulation factor of voltage and load is samll, and the efficiency of DC-DC convertor can reach85.08%. The system could measure and display the input voltage, output voltage and output current.System features: 1) the feedback of output voltage use the synchronous sampling appro
5、ach, can effectively prevent voltage spikes on the impact of signal detection. 2) with reliable protection features such as: over-current protection, under-voltage protection, current protection, and ensure the reliability of the system. 3) use from the stable system, can deal with the input voltage
6、 unstable situation promptly, thus the guarantee output was still a setting value. Key words：BUCK ; PWM; MCU; the stable system目 录1 引言11.1 本课题的研究背景11.2 国内外发展现状及趋势11.3 本课题的主要研究内容及意义22 DC/DC变换的理论分析42.1 DC/DC变换系统理论分析42.2 脉冲宽度调制的分类83 数控DC/DC变换器系统硬件设计93.1 数控DC/DC变换器系统组成设计93.2 DC/DC变换电路设计103.3 主控单片机及外围电路设
7、计113.4 AD与主控单片机接口电路设计143.5 PWM波产生电路设计163.6 显示电路的接口设计173.7 系统电源设计194 数控DC/DC变换器系统软件设计204.1 数据采集子程序设计204.2 显示驱动软件设计204.3 PWM波产生子程序设计224.4 过流过压保护子程序设计234.5 系统整体程序设计235 数控DC/DC变换器系统测试与分析255.1 系统测试的方法255.2 功耗的分析及计算265.3 输出各参数的测试与分析275.3.1 效率的测试275.3.2 输出电压测试275.3.3 输出纹波测试285.3.4 输出波形测试285.4 误差分析295.4.1 效
8、率计算产生偏差的原因295.4.2 输出电压的误差分析305.5 系统的改进的的方向30结 论31致谢32参考文献33附录341 引言1.1 本课题的研究背景DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约2030的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。而电力电子及开关电源技术随应用需求而不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领
9、域。这几年,随着IC技术的发展，以开关电源技术为核心的电子设备用开关电源,仅国内就有20多亿人民币的市场需求，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源已是大势所趋,因此，同样具有几十亿市场需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来，另外，还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。更重要的是我国在这方面的研究还远远落后于国外。1.2 国内外发展现状及趋势国内外的发展历程按大的进步方向可以分为（1）MOSFET的技术进步给DC/DC模块技术带来的巨大变化，同步整流技术的巨大进步。（2）Schottky技术的进步。（3
10、）控制及驱动IC的进步。（4）高压直接起动（5）高压电平位移驱动取代变压器驱动（6）ZVS，ZCS驱动器贡献给同步整流最佳效果（7）光耦反馈直接接口（8）PWM IC经历了电压型=电流型=电压型的转换，又经历了硬开关=软开关=硬开关的否定之否定变化。（在DC/DC业界，应该说，软开关技术的开发、试验、直到用于工程实践，费力不小，但收效却不是太大。） 国内外的发展现状和流行的技术以及相关的指标（1）Galaxy pwr公司 世界顶级、全桥自动复位硬开关ZVSZCS同步整流。全部工作用微控制器MCU控制，效率9495%。（2）Synqor两级并联，Buck+双互补forward同步整流微控制器，P
11、WM IC和MCU I C控制，效率9293%。（3）Glary第三代有源箱位，双互补forward并联，同步整流，效率92%，功率密度240W/in3，1/4砖250W。（4）DIDT二次侧PWM控制的初级半桥及全桥。ZVS，ZCS同步整流，效率91%。（5）Ericsson全桥硬开关ZVS，ZCS同步整流，效率93%。（6）VICOR第一代有源箱位，大功率输出高功率密度，89%效率。（7）Artesyn互补有源箱位Push-pull，效率90%，自偏置同步整流。（8）TYCO有源箱位forward，同步整流，世界DC/DC的主导商，世界标准的创立者。（9）Lambda有源箱位P-沟MOSF
12、ET有源箱位，自偏置同步整流。（10）IPD公司第二代有源箝位自偏置同步整流效率90.5%。发展趋势（1）电力电子器件趋势：功率变换技术高速发展的基础是电力电子器件和控制技术的高速发展，在21世纪，电力电子器件将进入第4代即智能化时代，具有如下显著的特征。高性能化：高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、高速度和高可靠性等4个方面。智能化和集成化：智能化的发展是系统智能集成（ASIPM），将电源电路、各种保护以及PWM控制电路等都集成在一个芯片上，制成一个完整的功率变换器IC。模块化：模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指单元的模块化。（2）开关电源技术：在电力电
13、子技术及各种电源系统中，开关电源技术处于核心地位。所以对于开关电源的研究极其重要，而它的发展趋势如下。高频化：理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感器和电容器的体积和重量与供电频率的平方根成反比。体积减少，可节能、节水、节约材料，由此带来相当可观的经济效益,更可体现技术含量的价值。数字化：现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制等等。绿色化：电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电；其次是这些电源所产生的谐波不能(或少)对电网产生污染。1.3 本课题的主要研究内容及意义本课题所要实现的功能，即通过单片机的键盘输入，
14、从而自由控制DC/DC电路输出所想要得到的在一定范围内的输出电压，并通过LCD显示。（1）开关电源的基本原理与具体应用，以及元器件参数具体的计算与选择。基本变换过程为：直流通过高频PWM信号控制开关管的关断，从而实现电压大小的选择输出。 而输出部分通过一定的电路反馈给MCU，达到数据显示即时控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。（2）PWM 的理解与实现：为了便于即时控制PWM，本设计的PWM由单片机的I/O产生，经驱动芯片直接给开关管。（3）电压表的制作：为了能测定电路中各项数据以实现准确的控制，将电压表也做在系统中。（4）单片机控制技术：本课题采用微控制器来控制读写器按照通信流程完成通信
15、，研究本课题必须熟悉单片机控制，例如MCS-51单片机。（5）设计电路原理图以及PCB：根据系统要求设计出电路原理图，并使用Protel 制作PCB。包括元件参数确定以及选型等。基于以上几个方面的内容来研究设计一种数控DC/DC变换具有成本低、界面有好、控制实时、控制精度高、操作简单、转换效率高等特点，在实验室，学生应用电源以及需要多类电压等领域有很好的应用前景。2 DC/DC变换的理论分析2.1 DC/DC变换系统理论分析直流斩波电路（DC Chopper）的简介：（1）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电（2）也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）（3）一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流（4）习惯上，DCDC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况 流斩波电路的种类：（1）6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路 、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中
