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1、中文题目：基于AVR和SG3525的数控开关电源设计外文题目：NC SWITCHING POWER SUPPLY BASED ON AVR & SG3525毕业设计共60页图纸共2张完成日期 2012年6月 答辩日期 2012年6月摘要 电源是现代社会不可或缺的一部分，数控电源具有精确性，灵活性和可监控性等特点，研究和开发数控电源具有重要的现实意义。 论文首先分析了电源的各种拓扑，并进行了选择，确立了模拟开关电源半桥拓扑，而后对模拟开关电源的控制系统进行选择，选用SG3525进行PWM控制，对反馈算法分析，并进行仿真，完成包括采样，反馈方式，驱动，输出等部分参数分析，另一个重点是对变压器参数进
2、行了设计。 其次讨论了数控部分，设计了电路参数并编程。处理器选择AVR单片机，通过PWM与内置AD完成电压的调节与监视，采用液晶屏与按键实现人机交互功能。关键词：开关电源；SG3525；AVRAbstract Switching power supply is an important part of modern society, NC power supply have many characteristics such as accuracy, flexibility and visualization, the research of it has an important meani
3、ng. First, analyzising some kinds of topology, and choose half-bridge topology, then analysis the control system, using SG3525 as PWM controller, analysis the feedback system, and simulate it, including sampling, feedback mode, driver, output and so on. Another importance is the design of transforme
4、r. The NC part, using AVR as digital controller, build-in ADC and PWM are used for voltage adjust and monitor, LCD and buttons can realize the interaction.Key words: switching power supply; SG3525; AVR目录1 绪论11.1 研究背景11.2 开关电源技术现状11.3 数控电源发展中所面对的问题21.4 本论文的主要工作22 开关电源原理与主要结构32.1 开关电源概述32.2 主要拓扑32.3 本
5、章小结43 模拟开关电源部分设计53.1 主体结构分析53.2 工作过程分析63.3 具体电路结构分析与计算63.3.1 输入EMI滤波器简介73.3.2 输入整流滤波电路83.3.3 开关管的选择93.3.4 变压器设计113.3.5 输出整流滤波电路设计153.3.6 副电源设计163.3.7 MOS管驱动电路173.3.8 控制电路设计193.3.9 基准源223.3.10 过流保护功能设计223.3.11 反馈电路设计233.3.12 反馈环路分析与仿真243.4 硬件调试273.5 总结304 数控开关电源部分设计324.1 主体结构与工作过程分析324.2 整体方案设计334.3
6、单片机的选择334.4 各辅助模块分析与设计344.4.1 电源模块344.4.2 采样电路设计354.4.3 驱动电路设计364.4.4 人机交互系统364.4.5 单片机最小系统设计374.4.6 输出开关384.5 主电路Buck变换器设计384.5.1 开关管与续流二极管384.5.2 输出滤波电路设计384.6 核心控制算法404.6.1 PID控制404.6.2 数字PID控制器414.6.3 PID参数调试过程424.7 人机交互界面设计424.8 程序结构设计434.9 总结444.9.1 误差分析464.9.2 系统的不足之处与改进措施465 设计总结与展望47致谢48参考文
7、献49附录A 译文50附录B 原文54附录C 主要程序代码59附录D 半桥开关电源原理图68附录E 数控电源原理图691 绪论1.1 研究背景 开关电源是利用电能变换技术将市电等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电能的系统或装置。随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子设备被广泛应用到各种不同的领域。电源对于各种电器设备就像心脏对于人体一样非常重要，没有电源则各种用电设备将无法运行。许多高新技术均与电源的转换、控制相关，现代电子技术能够精确控制和高效率的处理这些参数，特别是能够实现大功率电能的频率变换和稳压，为其他技术提供了发展的基础。电源变换新技术及其产业的进一步发展也为大幅度节能降
8、耗、节省材料以及为提高生产效率提供了重要手段，并给现代化生产和生活带来深远影响。 在电源技术中，开关电源处于核心地位。电源设备是任何电子设备不可缺少的一部分，以前，电源功能简单，如今，电源系统的功能要复杂很多，如可调输出电压，与上位机通信等等。1.2 开关电源技术现状 开关电源是采用功率半导体器件作为开关元件，通过控制开关元件的占空比来调整输出电压有效值的电源变换装置。它直接将工频电压经整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行运算处理，以此调节输出占空比，通过滤波电路最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。
9、开关电源通常包括功率因数校正部分、整流滤波部分、DCDC转换部分、控制保护电路部分等。以往的电源变换器由于输入电流谐波含量高，功率因数低，功率开关管关断损耗大，电磁干扰严重等一系列问题阻碍了电源技术的向着高效、清洁、实用的方向发展。近年来，特别是20世纪80年代以来，随着相关技术的发展，使这些问题得到很好的解决。 随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源达到了频率高、效率商、功率密度高、功率因数高、可靠性高。因此，许多领域都越来越多的应用开关电源，并取得了显著效益。今天，开关电源最主要的市场在小功率领域，但在
10、中等功率以至较人功率领域，开关电源的优势已十分明显。对现代开关电源功率变换技术的发展趋势可概括为：高频化、高效率、模块化、绿色化。1.3 数控电源发展中所面对的问题 数字控制开关电源存在的问题，AD转换器的速度与精度反比，为了保证较高的转换精度，就需要高精度的取样，因此需要耗费更长的转换时间，在反馈回路中，转换时间过长必然会导致相位延迟，导致反应能力变差。 和模拟芯片用RC和运算放大器进行补偿的方式一样，在回路中引入比例积分的方法提高控制回路的实时反应能力，这种做法需要占用芯片大量的资源，而且数字系统采样是离散的，为了达到较高的精度，每次取样时间不能间隔太长，即取样频率不能太低。1.4 本论文
11、的主要工作 根据当今电源技术的与实际情况，本文将对如下几个问题展开讨论： 1） 确定开关电源整体方案，相关指标为输入电压，输出电压，输出电流，输出纹波等相应保护功能等。 2） 设计一个合适的DC/DC变换器，并计算出开关管，二极管，电容电感等重要元器件参数的设定方法。 3） 用仿真软件对重要电路部分进行仿真，并分析参数合理性。 本次设计所面向的是一种AD-DC变换器，模拟电源部分采用半桥拓扑，其设计指标为输入200VAC-250VAC，输出18VDC。最大输出电流10A。 数字电源部分采用Buck拓扑，设计指标为输入18V，输出0VDC-15VDC，最大输出电流8A，电压调节步进0.1V。 整
12、个论文主要有三个核心，一是选择合适的拓扑并对元器件进行选型，二是反馈控制的研究，三是单片机程序开发工作，完成良好的控制算法与人机交互功能。2 开关电源原理与主要结构 本章介绍开关电源的工作原理，对现有开关电源几种主要拓扑进行分析，比较，结合各自的特点，根据设计需要，选择合适的拓扑。然后，详细分析了开关电源的工作过程，为后续设计打基础。2.1 开关电源概述 开关电源采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。其中DC-DC变换器进行功率变换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动电路、电压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电
13、压比较，其误差电压通过误差放大器放大和控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间比，从而调整输出电压大小。 开关电源的核心是DC-DC变换器，工作原理是用半导体功率器件作为开关，不断的开启和关断，使输入的直流电压变成一定占空比的方波，经过LC滤波电路变成直流电压。当频率不变时，占空比越大，负载上的直流电压也越大。 目前，大多数DCDC变换器的开关管都在某一固定的频率下工作，这种保持开关频率恒定，通过改变开关管导通时间的长短来使负载变化时，输出电压恒定的方法，称为脉宽调制法(PWM)。在DC-DC变换器中，最常使用的元件是半导体功率开关管、电感和电容。在开关变换器中，半导体功率开关
14、管只有导通和关断两种工作状态；电感主要起平滑电流波形的作用；而电容则主要起平滑电压波形的作用。2.2 主要拓扑 开关电源有着多种拓扑结构，与线性调整器的区别如表2-1所示。按照开关电源的输入与输出是否隔离分为隔离和非隔离两大类。非隔离型分为降压式结构（Buck），升压式结构（Boost）结构等。隔离型包括正激，反激，半桥，全桥等。表2-1 线性调整器与开关调整器的区别Tab2-1 The differences between liner and switching regular类别优点缺点发展趋势线性调整器结构简单，EMI性能好，输出稳定性好。效率低，只能降压。使用方便，价格便宜，轻负载时
15、效率较高开关调整器高效率，体积小，重量轻。复杂，成本高，电磁干扰大。应用非常广泛非隔离类开关电源拓扑具有损耗低，效率高等优点，例如Buck实现降压，Boost实现升压，还能衍生出其它功能更丰富的拓扑结构。隔离类开关电源拓扑主要特点如表2-2所示。表2-2 几种常用电路拓扑比较Fig2-2 Some kinds of topology拓扑反激正激推挽半桥全桥功率几十瓦几百瓦几百至几十千瓦几百至几十千瓦可达几百千瓦开关管11224优点简单，可靠性高，成本低简单，可靠性高，成本低驱动简单，损耗小没有偏磁问题，成本较低功率大缺点功率小，效率低效率低偏磁问题驱动复杂结构复杂，可靠性低由该表可知，正激和反激式电路的结构都比较简单，只需一个开关管，控制、驱动容易，但是它
