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1、2012届毕业答辩报告,数字式开关电源的研究,内容提要,1 课题研究意义及任务2 研究思路及总体框架3 硬件设计4 软件流程5 仿真结果6 实验结果7 结论,1 课题意义及任务,1.1 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。1.2 任务 正激电路：建模、设计、仿真、PCB,2 研究思路及总体框架,2.1 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,2.2 总体框架,3正激变换器建模,正激变换器包含多种不同的拓扑形式
2、，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：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D0.5，实际取。,3.1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0.278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
3、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 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
4、,所以此 二极管 远远满足实际要求。,3.4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 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3-2 电 感 电
5、 流 波 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，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变换器工作在CCM模式和DCM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3mH。,3.7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电压的2%，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：,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，但也意味着电容体积增大，如果电容量要求比较大，应该
6、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，在实际制作中用的是一个100V220uF的电容。,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。,4 DSPTMS320F2812简介,F2812是TI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：1.高处理速度，最高时钟频率可达150M 2.事件管理器模块（EVA和EVB）；由通用定时器产 生PWM，还
7、有3个由比较单元可以产生互补的PWM 3.AD采样模块：12位AD共16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；开关电源属于恒值给定系统，用DSP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。,4.1 驱动电路,驱动芯片采用三菱公司生产的M57962，其接线图如图4-1。,M57962具有以下特点：1.正负电源供电，可输出-12V偏压，使IGBT快速可靠关断。2.输入输出进行光耦隔离。3.具有过流保护功能。,图4-1 M57962 外 部 接 线 图,4.2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100V输入5V输出，电流传感器规格为
8、6A输入24mA输出，传感器的输入输出线性度良好，具体接线图如下图。,图4-3电流采样点路,图4-4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。,PID控制器的表达式为：,PI表达式为：,实际应用的是数字增量式PI算法，软件程序及流程图如下：,e=set-ad_ave;du_k
9、=Kp*(e-e1)+Ki*e;uk=du_k+uk_1;if(uk0.4)uk=0.4;if(uk0)uk=0;CMPR=1500*uk;e1=e;uk_1=uk;,图4-6 增量式PI调节器程序,图4-7 PI调节器流程图,5 PCB制作,PCB制作采用Altium Designer软件，先画原理图，再导入PCB在此过程中，需要制作原理图库和PCB封装库，导入PCB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。,本次制作过程中，经过多次面包板调试，两次PCB修改，最终成型作品如下，其中包括：主电路
10、、控制电路、驱动电路、检测电路、保护、显示及通信部分。,5.1 原 理 图,5.2 PCB 布 线 图,5.3 制作出的PCB 板,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 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 能，减小EMI，有利散热，PCB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10mil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 3mm，可以流过5A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。,6 实验结果,电网扰动,电网扰动,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 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，EMI较强 使AD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 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，这些方面应逐步完善。,谢谢请各位老师批评指正,
