毕业设计（论文）12V5A开关电源设计.doc

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1、毕业综合实践课题名称： 12V/5A开关电源设计 作 者： 学 号： 系 别： 电气电子工程系 专 业： 电子工程信息技术 指导老师： 专业技术职务 教授 2012年 3月 浙江温州 温州职业技术学院毕业综合实践开题报告姓 名： 学 号： 专 业： 电子信息工程技术 课题名称： 12V/5A开关电源设计 指导教师： 2011 年 12 月 19 日本课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案随着电子技术的高速发展、电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益紧密，任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。特别是随着小型电子设

2、备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。 现状：电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。本设计基于这个思想，设计、制作了一个开关稳压电源，输入交流电220V，输出12V/5A的直流稳压电源，具有过电流、过电压、短路保护。本电路采用自激式震荡电路（RCC），它是经济开关电源、安装方便、调试简单，元器件少。这个电路的功能适用于手机充电器和一些仪表电源是很实用的一个电路。 指导教师意见：指导教师： 年 月 日专业教研室审查意见： 教研室负责人： 年 月 日 课 题 摘 要随着开关电源在计算机、通信、航空航天

3、、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。本次设计采用典型的正激式开关电源结构设计形式，以(RCC)作为控制核心器件，运用脉宽调制的基本原理，并采用辅助电源供电方式为

4、其供电，有利于增大主电源的输出功率。采用场效应管作为开关器件，其导通和截止速度很快，导通损耗小，这就为开关电源的高效性提供保障。同时，电路中辅以过压过流保护电路，为系统的安全工作提供保障，本电路注意改善负载调整率,降低了电磁串扰，达到绿色环保的目的。输出电压可调，使其可适用于不同场合。关键词 高频变压器 场效应管 正激式变换器 脉宽调制目 录1 诸论11.1 开关电源的基本概念11.2 开关电源的发展11.2.1 开关电源的发展史22 电路的比较方案32.1 方案一、反激式变换器32.2 方案二、半桥变换器32.3 方案三、正激式变换器43 各部分电路工作原理63.1 单相桥式整流电路63.1

5、.2 参数计算73.2 功率变换电路83.2.1 MOS管工作原理83.3.1肖特基二极管123.4 高频变压器的设计133.4.1 变压器的设计133.4.2 控制电路工作原理163.5 L431的功能163.6 短路保护电路183.6.1 输入保护器件183.6.2输入瞬间电压保护184、电路的总结构20结 论22致 谢23参考文献24附录25附录一25附录二261 诸论电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是生产电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，

6、高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转化为直流；AC/AC称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变为直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。 自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳压输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）。1.1 开关电源的基本概念 开关电源是通过电路控制开关管进行高速的导通与截止。利用

7、开关功率器件并通过功率变换技术而制成的直流稳压电源。它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变化适应性强、输出电压稳定、有利于计算机信息保护等优点，因而广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。开关电源又被称为高效能节能电源，内部电路工作在高频开关状态，转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多，自身消耗的能量很低，电源效率可达80%左右，比普通线性稳压电源提高一倍。目前生产的无工频变压器式中，开关电源采用脉冲宽调制器PWM或脉冲频率调制器PFM1.2 开关电源的发展随着大规模和超大规模集成电路的

8、快速发展，。特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压 ,开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSF

9、ET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。在转换时，以自动控制稳压输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）。1.2.1 开关电源的发展史 自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流

10、的需求。 随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150-200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了很高的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之

11、势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著，当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。 2 电路的比较方案2.1 方案一、反激式变换器反激式变换器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用广泛。所谓

12、反激式变换器开关电源，是指当变换器的初级线圈被直流电压激励时，变换器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变换器初级线圈的激励电压被关断后，才向负载提供功率输出，这种变换器开关电源称为反激式开关电源。 图2-1反激式变换器工作原理图Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。图 2-1（b）是反激式变换器开关电源的电压输出波形。2.2 方案二、半桥变换器为了减小开关三极管的电压承受电压，可以采用半桥式变换器，它是开关电源比较好的拓扑结构。电容C1、C2与开关晶体管VT1、VT2组成变换器，如图2-2所示。桥的对角线接高频变压器TR的初级绕组。如果C

13、1、C2容量、耐压均相等，在某一只开关晶体管导通时，绕组上的电压只有电源电压Vin的一半。在稳定的条件下，VT1导通，C1上的电压1/2 Vin加在变压器的初级线圈上。由于初级绕组和漏感的作用，电流继续流入初级绕组黑点标示端。如果变压器初级绕组漏感储存的电能足够大，二极管VD6导通，钳位电压进一步变负。在VD6导通的过程中，反激能量对C2进行充电。连结点A的电压在阻尼电阻的作用下，以振荡形式最后回到中间值。如果这时VT2的基极有触发脉冲，则VT2导通，初级绕组黑点标示端电压变负，Ip电流加上磁化电流流经初级绕组和VT2，然后重复前面的过程。不同的是Ip变换了方向。二极管VD5对三极管VT1的导

14、通钳位，反激能量再对电容C1进行充电。 图2-2半桥式变换器工作原理图2.3 方案三、正激式变换器正激式变换器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。 图 2-3正激式变换器工作原理图正激式变换器开关电源工作原理：所谓正激式变换器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。图2-3是正激式变换器开关电源的简单工作原理图，图2-3中Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管

15、，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。需要特别注意的是高频变压器初、次级线圈的同名端。如果把高频变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图 2-3就不再是正激式变换器开关电源了。3 各部分电路工作原理3.1 单相桥式整流电路 单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。 单相桥式半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大电阻性负载时，且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功

16、率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。单相桥式全控整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。单相桥式半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相桥式全控整流电路。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相桥式全控整流电路，负载为阻感性负载在生产实践中，除了电阻性负载外， 最常见的负载还有电感性负载， 如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。 为了便于分析和计算， 在电路图中将电阻和电感分开表示。 当整流电路带电感性负载时，整流工作的物理过程和

17、电压、 电流波形都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的变化。电路波形图中： (b) 电源电压； (c) 触发脉冲； (d) 输出电压； (e) 输出电流；(f) 晶闸管V1 , V4上的电流； (g) 晶闸管V -2 , V -3上的电流；(h) 变压器副边电流； (i) 晶闸管V1 , V4上的电压。 图3-1 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形3.1.2 参数计算 负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。

18、两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180， 且与无关， 变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正、负方波。负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。在这种情况下： 当=0时，Ud=0.9U2； 当=90时，Ud=0，其移相范围为90。 晶闸管承受的最大正、反向电压都是。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为。流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S。3.2 功率变换电路3.2.1 MOS管工作原理NMOS的特性是Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱

19、动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。开机后，交流电通过整流滤波后一路通过变压器初级加到开关管Q2漏极(D极，另一路通过启动电阻R2、R3加到Q2栅极(G极)，从而使开关管Q2导通.导通后,变压器T1原边产生上正下负(1正2负)的感应电动势。由于互感，T1辅助绕组也产生相应的下正上负(3正4负)的感应电动势。于是T1的3脚上的正脉冲电压通过C5、R5加到Q2的G极与S极之间，从而使Q2的漏极电流进一步增大，于是开关管Q2在正反馈雪崩过程的作用下迅速进入饱和状态。二氧化硅来作为闸门极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或金属氧化物半导体场效应管MOSFET。因为MO

20、S管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。 首先考察一个更简单的器件MOS电容能更好的理解MOS管。这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是衬底，他们之间由一薄层二氧化硅分隔开图 3-1 A。金属极就是闸门，而半导体端就是栅极。他们之间的绝缘氧化层称为闸门电压来说明。图3-1A中的MOS电容的闸门电位是0V。金属闸门和半导体栅极在差异的电介质（氧化层的上下）上产生了一个小电场。图示的器件中，这个电场使金属电子少了，故闸门 电介质。图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成栅极。这个MOS电容的电特性能通过把栅极接地，闸门接不同的极带正电），P型硅负电位（相对电子多了。这个电场把硅中

21、底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。 图 3-1 MOS栅极的电容图3-1中是当MOS电容的闸门相对于栅极正偏置（PN结）时发生的情况。穿过闸门 电介质的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着闸门电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子，硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为反型，反转的硅层叫做沟渠(N Pmos的命名就是根据这里来的)。随着闸门电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累， 沟渠变成了强反转。 沟渠形成时的电压被称为阈值电压Vt。当闸门

22、和栅极之间的电压差小于阈值电压时，不会形成 沟渠。当电压差超过阈值电压时，沟渠就出现了。（其实还有个亚阈值状态栅极电压,此时也有载流子，也有电子通道，不过很小一般忽略，此时耗尽层的负电荷占据主要，以映像栅上的电压)。图 3-1 MOS电容（A）未偏置（VBG0V），（B）反转（VBG3V），（C）积累（VBG-3V）。 图3-1C中是当MOS电容的闸门相对于栅极是负电压时的情况（就好像给二极管的PN结加上正电压）。电场反转，往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了，这个器件被认为是处于电荷积累状态了。 MOS电容的特性能被用来形成MOS管。图 3-1 A是最终器件的截面图。闸门，电介质

23、和栅极保持原样。在闸门的两边是两个额外的选择性掺杂的区域。其中一个称为源极，另一个称为漏极。假设源极和栅极都接地，漏极接正电压。只要闸门对栅极的电压仍旧小于阈值电压，就不会形成 沟渠。漏极和栅极之间的PN结反向偏置，所以只有很小的电流从漏极流向栅极。如果闸门电压超过了阈值电压，在闸门电介质下就出现了 沟渠。这个 沟渠就像一薄层短接漏极和源极的N型硅。由电子组成的电流从源极通过 沟渠流到漏极。总的来说，只有在闸门对源极电压V超过阈值电压Vt时，才会有漏极电流。 图 3-2MOSFET晶体管的结构图图3-2 MOSFET晶体管的截面图NMOS（A）。在图中，S源极，G=闸门,D=漏极。虽然栅极图上

24、也有，但没有说明。MOS管的源极和漏极是可以对调的，他们都是在P型栅极中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。在对称的MOS管中，对源极和漏极的标注有一点任意性。定义上，载流子流出源极，流入漏极。因此源极和漏极的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是不定的，两个引线端就会互相对换角色。这种情况下，电路设计师必须指定一个是漏极另一个则是源极。源极和漏极不同掺杂不同几何形状的就是非对称MOS管。制造非对称晶体管有很多理由，但所有的最终结果都是一样的。一个引线端被优化作为漏极，另一个被优化作为源极。如果漏极和源极对调

25、，这个器件就不能正常工作了。图 3-2 A中的晶体管有N型 沟渠所有它称为N- 沟渠 MOS管，或NMOS。如果这个晶体管的闸门相对于栅极正向偏置，电子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有 沟渠形成。如果闸门相对于栅极反向偏置，空穴被吸引到表面， 沟渠形成了。由于NMOS管的阈值电压是正的，PMOS的阈值电压是负的，所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能，从0.6V上升到0.7V”，实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V。 极带轻微的正电位是因为下面衬底是P型的空穴多，电子少，故需要从别处抢来电子，所以氧化物处。3.2.2 常见的原理图及工作原

26、理 图 3-2 功率变换电路工作原理:图3-2的R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。 R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。

27、Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。 Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4和R6为尖峰电压吸收回路。 3.3正激式变换电路设计 图3-3正激式变换电路原理图正激式是指变压器的初级与次级同相位。正激式变换器的优点是铜损低，因为使用无气隙磁芯，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低

28、；缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率将降低。它适用于低电压、大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。它还具有多台电源并联使用而互不受影响的特点，而且可以自动均衡，而反激式却不能做到这点。C19是开关晶体管钳位消噪电路；VD8是肖特基整流二极管，它的作用非常重要，差不多40%的功耗损失在整流二极管上。3.3.1肖特基二极管肖特基二极管SBD是一种N型半导体器件，工作在低电压、大电流状态下，反向恢复时间短，只有纳秒，正向导通压降为0.4V，而整流电流达数百安。它是最近在开关电源中应用得最多的一种器件。区分肖特基二极管和超快速恢复二极的方法是二者的正向压降不同，肖特基

29、二极管的正向压降为0.3V，超快速恢复二极管的正向压降啊0.6V。值得注意的是：肖特基二极管的最高反向工作电压一般不超过100V，它适合用在低电压、大电流的开关电源中。因此，在本设计中肖特基二极管的采用为MBR1045。肖特基二极管MBR1045参数如下：型号：MBR1045；反向峰值电压Vrm：45；平均整流电流Id：10A；反向恢复时Trr：=Q3的B-E导通电压时,Q3导通，从而实现保护功能。4、电路的总结构 图4-1开关电源的工作原理 开关电源的工作原理如图4-1所示，输入电压为AC85-256V,50Hz的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为直流，通过控制电路中开关管的导通和截止使

30、高频变压器的一次测产生低压高频电压，经由小功率高频变压器藕合到二次测，再经整流滤波,得到直流电压输出.为了使输出电压稳定，进行了输出电压反馈用TL431取样,将误差经光耦合放大，通过PWM来控制开关管的导通与截止时间(即占空比)，使得输出电压保持稳定。结 论 2011年12月，我开始了我的毕业论文，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。 当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时

31、便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。本次12V/5A开关电源设计，在设计期间翻阅许多开关电源的相关资料，对开关电源主电路、功率开关器件以及控制电路等部分做了较为深入的了解，本设计基本上反映了开关电源的功能以及用途。在本次开关电源设计中，基本达到各项性能指标，且精确度高，效率高，可靠性高，但由于时间有限，很多问题都没有考虑周全，还有一些未理解的问题和难点，今后会继续研究这个课题，使设计开关电源的性能更高，功能更加完善。致 谢在此首先感谢我的指导老师谢树林老师，是你的细心指

32、导和关怀下完成的，从选题到论文内容都给予了我精心的指导和严格的教诲，无论从学术水平还是学术造诣上都使我受益非浅,。不仅是我学到了许多社会经验，更重要的是让我开拓了眼界，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。还有感谢温州职业技术学院电气系的各位任课老师们，感谢大学期间给予的照顾与指导；感谢、张芳芳、王杰老师的教诲。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。最后感谢我的朋友们，感谢他们一直对我的鼓励与帮助！