2012届毕业答辩报告届毕业答辩报告 数字式开关电源的研究1内容提要内容提要1 课题研究意义及任务课题研究意义及任务2 研究思路及总体框架研究思路及总体框架3 硬件设计硬件设计4 软件流程软件流程5 仿真结果仿真结果6 实验结果实验结果7 结论结论1 课题意义及任务课题意义及任务 意义 在数字化浪潮与节能环保理念的共同推进下，数字式开关电源正在被快速产品化，其应用正在以强劲的势头向各个领域延伸，因此，本课题具有长远的现实应用意义。 任务 正激电路：建模、设计、仿真、PCB2 研究思路及总体框架研究思路及总体框架 思路 1掌握正激电路工作原理 2建立数学模型 3应用PSIM进行电路仿真 4PCB设计 5软件设计 6系统调试 总体框架 3正激变换器建模正激变换器建模 正激变换器包含多种不同的拓扑形式，本次采用磁复位绕 组式单管正激变换器，如图3-1所示。 图3-1 磁复位绕组式单管正激变换器 应用状态空间平均法求出正激变换器输出到占空比的传递函数为： 设计参数设计参数：MOSFET开关频率一般在250KH以下，IGBT的开关频率较低，且实际功率为180W左右，故选择IGBT作为电路中的开关管较合适；磁芯复位时间： 因 ，所以占空比，实际取 。 正激变压器设计正激变压器设计 变压器的传输功率约为： 根据功率查表知应选择PC40磁材料做的PQ40/40型号 的磁芯，其每伏输入电压匝数为匝，实验中最 恶劣直流输入电压为： 故原边匝数： 实际取 副边匝数： 实际取 高频变压器是开关电源的关键部件，其参数和性能直接影响到整机的性能， 为减小其寄生参数，提高其性能，应采用“三明治”绕法，即绕一层原边， 绕一层副边，退磁绕组与原边并行绕制，其匝比为1:1；绕制时应尽量做工 精良，线间紧密，线层光滑，以提高其性能。 3.2 IGBT选择选择 正激变换器中，开关管承受的最大电压为开关管关断时承受的电压，此时开关管两端电压为： 实际选择的开关管型号为GT15Q101，其耐压为1200VDC， 最高开关频率50KHz. 3.3 退磁绕组二极管选择退磁绕组二极管选择 退磁绕组二极管应与开关管耐压一样，都为716V，开关频率最低40KHz。 实际选用的退磁绕组二极管型号为RHRP8120，其耐压为1200V，正向电流8A，最大恢复时 间70ns,所以此 二极管 远远满足实际要求。 副边整流二极管选择副边整流二极管选择 整流二极管最低耐压应为 开关频率最低40KHz。 实际选用的整流二极管型号为MUR1560，其耐压为600V；正向电流15A， 最大恢复时间60ns, 所以也满足实际要求。 3.5 续流二极管选型续流二极管选型 续流二极管在IGBT开通时承受电压最大，其耐压值与整流二极管一样，最小耐压 为179V，因此也选用MUR1560，满足实际要求。 3.6 滤波电感的设计滤波电感的设计 输出滤波电感可以通过假设最大允许的纹波电流ILO来计算。假设电感纹波电流峰峰值为输出电流的15%，如图3-2所示。 ILO为电感电流峰峰值， ILO（PK）为输出电流峰值。 图图3-2 3-2 电电 感感 电电 流流 波波 形形滤波电感的大小直接体现在输出电流上，电感量过大虽然电流纹波减小，滤波电感的大小直接体现在输出电流上，电感量过大虽然电流纹波减小，但也意味着电感体积的增大，电感量与频率成反比，与负载电流成反比，但也意味着电感体积的增大，电感量与频率成反比，与负载电流成反比，电感体积与开关频率成反比，与负载电流成正比，电感量的大小可以使电感体积与开关频率成反比，与负载电流成正比，电感量的大小可以使变换器工作在变换器工作在CCMCCM模式和模式和DCMDCM模式，电感的能量处理能力与其体积成正模式，电感的能量处理能力与其体积成正比，实际采用的电感量为比，实际采用的电感量为3mH3mH。滤波电容设计滤波电容设计滤波电容设计滤波电容设计滤波电容的设计与电感相类似，先假设输出电压纹波为输出滤波电容的设计与电感相类似，先假设输出电压纹波为输出电压的电压的2%2%，根据以下两式其中一个可以计算其最小电容量：，根据以下两式其中一个可以计算其最小电容量：根据第一个式子计算出的电容量为：根据第一个式子计算出的电容量为：电容的耐压值为输出电压的峰值，即为：电容的耐压值为输出电压的峰值，即为：电容的大小关系到输出电压纹波，容量越大纹波越小，但也意味着电容的大小关系到输出电压纹波，容量越大纹波越小，但也意味着电容体积增大，如果电容量要求比较大，应该多个电容并联使用，电容体积增大，如果电容量要求比较大，应该多个电容并联使用，因为大的电容量意味着大的寄生参数，使电容滤波效果变差，在实因为大的电容量意味着大的寄生参数，使电容滤波效果变差，在实际制作中用的是一个际制作中用的是一个100V220uF100V220uF的电容。的电容。总结总结：器件的详细参数计算与型号选择远远比此复杂，每个元器件：器件的详细参数计算与型号选择远远比此复杂，每个元器件都不同程度的存在寄生参数与误差，而且，很多参数都与温度存在都不同程度的存在寄生参数与误差，而且，很多参数都与温度存在着非线性的关系，在实际中，难以有定量的计算，以上简单计算的着非线性的关系，在实际中，难以有定量的计算，以上简单计算的参数都是其选用的最小值，制作过程中，为了安全考虑，使用的元参数都是其选用的最小值，制作过程中，为了安全考虑，使用的元器件都留有足够大的余量。器件都留有足够大的余量。4 DSPTMS320F2812简介F2812是是是是TI公司推出的数字信号处理芯片，本实验中主要公司推出的数字信号处理芯片，本实验中主要涉及的有以下模块：涉及的有以下模块： 1.高处理速度，最高时钟频率可达高处理速度，最高时钟频率可达150M 2.事件管理器模块（事件管理器模块（EVA和和EVB）；）；由通用定时器产由通用定时器产 生生PWM，还有，还有3个由比较单元可以产生互补的个由比较单元可以产生互补的PWM 3.AD采样模块：采样模块：12位位AD共共16路采样通道；路采样通道； 4.SPI通信模块可以灵活的和其它控制器进行通信；通信模块可以灵活的和其它控制器进行通信； 开关电源属于恒值给定系统，用开关电源属于恒值给定系统，用DSP进行控制远远足够，以上进行控制远远足够，以上模块足以对开关电源进行闭环、通信、显示等控制。模块足以对开关电源进行闭环、通信、显示等控制。4.1 驱动电路驱动芯片采用三菱公司生产的驱动芯片采用三菱公司生产的M57962M57962，其接线图如图，其接线图如图4-14-1。M57962M57962具有以下特点：具有以下特点：1. 1.正负电源供电，可输出正负电源供电，可输出-12V-12V偏压，偏压， 使使IGBTIGBT快速可靠关断。快速可靠关断。2. 2.输入输出进行光耦隔离。输入输出进行光耦隔离。3. 3.具有过流保护功能。具有过流保护功能。图图4-1 M57962 4-1 M57962 外外 部部 接接 线线 图图采样电路电压电流传感器都采用霍尔元件，电压传感器规格为电压电流传感器都采用霍尔元件，电压传感器规格为100V100V输入输入5V5V输出输出，电流传感器规格为，电流传感器规格为6A6A输入输入24mA24mA输出，输出，传感器的输入输出线性度良好，具体接线图如下图。传感器的输入输出线性度良好，具体接线图如下图。图图4-34-3电流采样点路电流采样点路图图4-44-4电压采样点路电压采样点路4.3 PID控制算法PID是应用最为广泛的调节器，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，这时应用PID控制技术是最为方便。实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 PIDPID控制器的表达式为：控制器的表达式为：PIPI表达式为：表达式为：实际应用的是数字增量式实际应用的是数字增量式PIPI算法，软件程序及流程图如下：算法，软件程序及流程图如下：e=set-ad_ave;e=set-ad_ave;du_k=Kp*(e-e1)+Ki*e;du_k=Kp*(e-e1)+Ki*e;uk=du_k+uk_1;uk=du_k+uk_1; if(uk0.4)if(uk0.4) uk=0.4; uk=0.4;if(uk0)if(uk0) uk=0; uk=0;CMPR=1500*uk;CMPR=1500*uk;e1=e;e1=e;uk_1=uk;uk_1=uk;图图4-6 4-6 增量式增量式PIPI调节器程序调节器程序图图4-7 PI4-7 PI调节器流程图调节器流程图5 PCB制作PCBPCB制作采用制作采用Altium DesignerAltium Designer软件，先画原理图，再导入软件，先画原理图，再导入PCBPCB在此过程中，需要制作原理图库和在此过程中，需要制作原理图库和PCBPCB封装库，导入封装库，导入PCBPCB后，后，要进行布局布线，布局采用手动布局，布线采用自动布线和要进行布局布线，布局采用手动布局，布线采用自动布线和手动布线相结合，布线完成后要进行规则检查，合格后，就手动布线相结合，布线完成后要进行规则检查，合格后，就可以生成印制文件，送到工厂加工。可以生成印制文件，送到工厂加工。本次制作过程中，经过多次面包板调试，两次本次制作过程中，经过多次面包板调试，两次PCBPCB修改，最终修改，最终成型作品如下，其中包括：主电路、控制电路、驱动电路、检成型作品如下，其中包括：主电路、控制电路、驱动电路、检测电路、保护、显示及通信部分。测电路、保护、显示及通信部分。5.1 5.1 原原原原 理理理理 图图图图5.2 PCB 5.2 PCB 布布布布 线线线线 图图图图5.3 5.3 制作出的制作出的制作出的制作出的PCB PCB 板板板板总结：原理图要求尽量简单明了，可读性强，可以将原理图总结：原理图要求尽量简单明了，可读性强，可以将原理图 模块化，使思路更清晰，库文件要求符合规则，精致模块化，使思路更清晰，库文件要求符合规则，精致 完美，以便在原理图中容易理解，在以后使用时更方完美，以便在原理图中容易理解，在以后使用时更方 便，布局是比较关键的，合理的布局可以提高整机性便，布局是比较关键的，合理的布局可以提高整机性 能，减小能，减小EMIEMI，有利散热，有利散热，PCBPCB布线是最后环节，线布线是最后环节，线 宽要能满足电流要求，一般的控制信号线宽要能满足电流要求，一般的控制信号线10mil10mil就可以就可以 主电路要根据实际要求增加线宽。实际主电路线宽为主电路要根据实际要求增加线宽。实际主电路线宽为 3mm 3mm，可以流过，可以流过5A5A左右的电流。布线应注意地线尽量左右的电流。布线应注意地线尽量 宽，不拐直角，功率元件分散放置。宽，不拐直角，功率元件分散放置。6 6 实验结果实验结果实验结果实验结果电网扰动电网扰动电网扰动电网扰动负载扰动负载扰动负载扰动负载扰动总结：从方案确定到整机调试完成，我从中学到了很多总结：从方案确定到整机调试完成，我从中学到了很多 东西，但仍存在很多需要改进的地方，例如：器东西，但仍存在很多需要改进的地方，例如：器 件余量过大，成本较高，散热不理想，件余量过大，成本较高，散热不理想，EMIEMI较强较强 使使ADAD采样不精确，导致显示波动较大，开关频采样不精确，导致显示波动较大，开关频 率相对较低，使变压器及滤波器体积较大，开关率相对较低，使变压器及滤波器体积较大，开关 损耗较大，没有缓冲电路，开关管电压应力较大损耗较大，没有缓冲电路，开关管电压应力较大 输入进行不控整流，功率因数较低等不足之处，输入进行不控整流，功率因数较低等不足之处， 这些方面应逐步完善。这些方面应逐步完善。