|
（1）將220V50Hz交流市電轉(zhuǎn)換輸出從0到30V的可調(diào)直流穩(wěn)定電源。 （2）最大電流輸出：3A。 （3 由按鍵每次0.1v控制電壓變化。 （4）LCD屏顯示輸出電壓。
2.2開關(guān)電源的電路組成[3] 可調(diào)開關(guān)電源的主要電路組成方框圖如下： 
圖2.1 系統(tǒng)組成框圖電路 2.2.1 電磁干擾濾波器（EMI）[4] (1)設(shè)計中干擾主要是模干擾與共模干擾兩種。EMI濾波器可以抑制串模干擾和共模干擾。 2.2.2 整流濾波電路[5] （1）、整流電路 ①、工作原理：  
圖2.9 整流電路 圖2.10 整流電路的波形圖 當(dāng)輸入正弦波時，T=0~Pi為正，二極管D1與二極管D3導(dǎo)通，二極管D2與二極管D4截止，負(fù)載得到半個正波；同理T=Pi~2Pi時負(fù)載又得到半個正波；所以負(fù)載電阻得到的是合成同向單向脈動電壓。 ②、負(fù)載上的直流電壓和直流電流 一般用輸出電壓的平均值表示直流電壓。 
圖2.11 負(fù)載電壓波形 輸出的平均電壓為： 
流過負(fù)載的平均電流為： 
流過二極管的平均電流為： 
二極管所承受的最大反向電壓： 
圖2.12 濾波電路 ①、基本概念及原理 濾波電路主要通過電容電感不同特性對交、直流進行濾波。 電容器C通交流，斷直流。將電容C與負(fù)載并聯(lián)，以穩(wěn)定電壓； 電感器L通直流，阻交流。將電感L與負(fù)載串聯(lián)，以起到穩(wěn)定電流的作用。 濾波電路后，保留了直流分量，濾除交流成分，提高直流比例，降低紋波系數(shù)電路，提高了輸出直流電壓的質(zhì)量。 2.3方案的選擇 系統(tǒng)模塊方案如下： （1）主電路模塊：選用橋式變壓器開關(guān)電源 （2）主電路開關(guān)模塊：選擇使用功率開關(guān)MOSFET. (3)控制電路：脈沖調(diào)制選擇UC3843電源集成控制器。 3系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)
3.1主電源電路和輔助電源電路設(shè)計開關(guān)電源整個系統(tǒng)的電路圖如下： 圖3.1
圖 3.2 3.1.1啟動電路[6]如上所示，主電路交流電由C22、L3、進行低通濾波整流。濾波后的交流電壓經(jīng)D9整流橋整流。經(jīng)過電解電容C23濾波后變成直流電，降壓后給C32充電，當(dāng)C32的電壓達(dá)到UC3843的啟動電壓時，UC3843開始工作，并提供驅(qū)動脈沖，由引腳6驅(qū)動功率開關(guān)管工作。隨著UC3843的啟動，由Vcc3（輔助電源）給UC3843供電。由于收入電壓超過了UC3843的工作，為了避免意外，用D14穩(wěn)壓管限定UC3843的收入電壓，否則將出現(xiàn)UC3843被損壞的情況。 3.1.2短路過流、過壓、欠壓保護電路電路是保護必不可少，穩(wěn)定電路是電路正常工作的基礎(chǔ)。電路因輸出不穩(wěn)定和外在因素影響，時常會有短路、過壓、欠壓等現(xiàn)象發(fā)生。使用UC3843有欠壓、過壓、短路過流保護。 3.1.3反饋電路反饋電路采用億光光電耦合器和精密穩(wěn)壓源TL431。先利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器。再經(jīng)過億光光電耦合器對輸出進行精準(zhǔn)的調(diào)整。 3.1.4整流濾波電路輸出整流濾波電路在一定程度上影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端中對電壓影響主要是一般電源噪聲和高頻噪聲。有以下幾方面解決： （1）、輸入電源中包含的交流成分被稱為輸入電源的噪聲�？稍陔娫摧斎攵嗽黾右粋�電容C20來解決。 （2）、高頻噪聲的產(chǎn)生主要有2種：一種是功率管器件在開關(guān)的過程中產(chǎn)生的；另一種是開關(guān)電源進行高頻斬波產(chǎn)生的。濾波電感采用150μH的電感；輸出端采用∏型濾波的方式來解決 （3）、選用MBR20200進行整流。減少高頻噪聲并提高效率。 3.2 主要器件的選擇及其功能
3.2.1 TL431TL431是一個熱穩(wěn)定性能良好的器件。外部電極分別為：陰極、陽極、參考端。TL431是三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。該芯片具有體積小，參考電壓精度可調(diào)，具有輸出電流大等優(yōu)點，可用于生產(chǎn)各種穩(wěn)壓裝置。 由圖3.3可看出，VI是一個內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)源，連接到反相輸入運算放大器。由運放特性可知，只有當(dāng)參考端的電壓很接近VI時。穩(wěn)定的非飽和電流將隨著參考端電壓變化。參考端電壓的很小的改變時電流就通過三極管，電流將由1mA慢慢變化到100mA。 
圖3.3 TL431的功能模塊示意圖 在開關(guān)電源設(shè)計，通過TL431反饋誤差放大器的輸出，TL431打開光電耦合器，光電耦合器的光敏部件在高壓電源反饋，從而控制脈寬調(diào)制控制器的開關(guān)時間來得到一個穩(wěn)定的直流輸出電壓。 3.2.2 LM7805用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805構(gòu)成穩(wěn)壓電源，只需要很少的外圍元件，電路，內(nèi)部電路和過熱保護和調(diào)節(jié)流量管，使用方便可靠，起來，而且價格便宜。本設(shè)計中LM7805作用是將15V電壓降為5V電壓。 
圖3.4 LM7805圖 3.2.3 EL817 億光光電耦合器EL817，是一種集結(jié)紅外發(fā)射與接收及信號處理于一起的器件。輸入端輸入信號使發(fā)光LED發(fā)光；接收端收到LED發(fā)射的光信號，再通過信號處理將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后輸出。從而實現(xiàn)了電轉(zhuǎn)換光，光在轉(zhuǎn)換為電的傳輸，光信號為傳輸介質(zhì)。EL817實現(xiàn)了讓輸入和輸出電絕緣，也被稱為電氣隔離。 
圖3.5 EL817內(nèi)部框圖 3.2.4 場效應(yīng)管MOSFET本實驗中運用的是N溝道增強型MOSFET,參數(shù)最大耐壓600V、電流11A、功率125W.MOSFET是工作再高頻的器件。工作頻率可以高達(dá)200kHz以上。使用MOSFET后可以進一步減小設(shè)計的體積和減輕設(shè)計的重量。同時，它還具有工作速率快、高功率、耐壓高、高增益，幾乎沒有存儲時間，無熱擊穿等。當(dāng)開關(guān)器件使用功率MOSFET時，漏極電流與漏源極間電壓降成正比。換句話說,MOSFET工作在恒定電阻區(qū)可以像電阻一樣起作用。 3.2.5 高頻變壓器[7] 高頻變壓器在電路中的功能是功率傳送、電壓變換、電氣隔離。本設(shè)計中主電源電路用到B1變壓器和輔助電源電路用到T1變壓器。 主電源B1變壓器 預(yù)定初級側(cè)電壓 預(yù)設(shè)效率  ，工作頻率53kHz 電源輸出功率  ,取110W 變壓器的輸入功率  ，輸入功率取130W
用面積乘積法來確定磁芯型號，選用錳鋅鐵氧體磁芯EE42，可留有一定裕量，有效截面積  。 在30 V裕量條件下因為所選的MOS管的最大耐壓值  。所以允許的最大反射電壓 最大占空比 初級電流 初級最大電感量 初次級匝數(shù)比 初級匝數(shù) 其中，磁感應(yīng)強度B =0．25 T；由于該轉(zhuǎn)換器在k = 0.5（不連續(xù)模式k = 1）的連續(xù)工作模式的設(shè)計 磁芯氣隙 36V，次級匝數(shù) 輔助電源T1變壓器 預(yù)定初級側(cè)電壓 預(yù)設(shè)效率 ，工作頻率60kHz 電源輸出功率  ,取15W 變壓器的輸入功率  ，輸入功率取18W
根據(jù)面積乘積法來確定磁芯型號，，選用錳鋅鐵氧體磁芯EFD20，可以留有一定裕量，有效截面積  。 在30 V裕量條件下因為所選的MOS管的最大耐壓值 。所以允許的最大反射電壓 設(shè)最大占空比0.45
初級電流 初級最大電感量 初次級匝數(shù)比 初級匝數(shù) 其中，磁感應(yīng)強度B =0．28 T；因為該轉(zhuǎn)換器在k = 1（連續(xù)模式k = 0.5）的不連續(xù)模式的設(shè)計 磁芯氣隙 15V--次級匝數(shù) 輔助繞組匝數(shù) 其中，  是輔助繞組電壓，16V. 在一定電壓電流范圍內(nèi)電阻值隨著電壓變化而發(fā)生變化的電阻原件叫壓敏電阻，或者說“電壓敏感”的阻器。壓敏電阻電路的“安全閥”的作用：壓敏電阻的特點是當(dāng)添加到它的閾值以上的“UN”，流過它的小電流，相當(dāng)于一個封閉的閥，當(dāng)電壓超過UN，流過它的電流上升，相當(dāng)于閥開�？梢詧�(zhí)行這一功能來抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓。過電壓保護電路不受損壞。 3.2.7 LM358[9]LM358恒流恒壓 圖3.6恒壓、恒流控制電路 恒壓電路工作原理：U2、I5、R38、R41、VD13、R32、U12組成電壓控制環(huán)路。U2（431）是一種精密電壓調(diào)節(jié)器，控制陰極K和R直接短路由2.5V參考電壓精度。其中U2的限流電阻為R25。電阻R33將2.5V參考電壓送到I5反相輸入端（引腳6）。而同相輸入端（引腳5）則由R38、R41的分壓比來設(shè)定。如果輸出電壓升高，電壓UR41也上升。比較電壓和反向端2.5V的基準(zhǔn)電壓，7引腳輸出誤差信號。流入光耦LED中的電流信號通過VD13和R32輸出。然后通過反饋控制的網(wǎng)絡(luò)控制側(cè)PWM輸出占空比，使輸出電壓恒定的壓力下工作。恒流電路工作原理：U2、I3、R23、R24、VD12、R32、U1組成電流控制環(huán)路。R1是輸出電流取樣電阻，輸出電流在R23上產(chǎn)生R23／IOUT的電壓降。電壓直接到同相輸入端I3（引腳3），2.5V的參考電壓為R24，R28組成的分壓電路，將分壓電壓到反相輸入端（引腳2）。在R23和2.5V參考電壓分壓器的電壓比較的電壓降的電流輸出，引腳1輸出誤差信號，然后通過vd12和R32改變光耦LED中的電流，然后通過反饋控制的網(wǎng)絡(luò)控制側(cè)PWM輸出的占空比，使輸出為恒流特性。R26、C25、R33、C30分別是I3、I5的相位補償元件。放大器組成的恒壓、恒流控制電路。經(jīng)過驗證可以實現(xiàn)高精度的恒壓恒流。因為放大器電路，所以R23可選MΩ水平的電阻值，但它對電路轉(zhuǎn)換效率沒有影響。 3.2.8 UC3843的簡介[10]UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器。專為離線和DC/DC變換器應(yīng)用而設(shè)計。使設(shè)計方案使用最少的外部元件而節(jié)約成本。UC3843具有良好的調(diào)諧振蕩器，可以進行溫度補償?shù)膮⒖�，精確的占空比控制，高增益誤差放大器。UC3843有驅(qū)動功率MOSFET的理想器件：電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出。保護特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、單個脈沖測量鎖存和可編程輸出靜區(qū)時間。 
圖3.7 UC3843 8引腳雙列直插塑料封裝 
圖3.8 UC3843管腳連 圖3.9 UC3843的簡單框圖
UC3843各引腳功能如下表：
| | | | | 該引腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補償 | | | 該引腳是誤差放大器的反相輸入，一般通過一個電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出。 | | | 該引腳一個正比于電感器電流的電壓連接到輸入，脈沖寬度調(diào)制器使用此信息來停止輸出開關(guān)。 | | | 通過將電阻RT接Vref和電容CT接地，使最大輸出占空比以及振蕩器頻率可以調(diào)節(jié)。工作頻率可達(dá)500KHz。 | | | | | | 該輸出直接驅(qū)動功率MOSFET，輸出正負(fù)1.0A電流。 | | | | | | 該引腳為參考輸出，它由電阻RT向電容CT提供充電電流。 |
3.2.9 AT24C02AT24C02接在電路有配置芯片的作用，可以直接用單片機進行讀寫處理，不需要編程器，也不用提高電壓進行編程。操作方便。 3.2.10 AD558JNAD558JN將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。一般與控制芯片和電路相連。本設(shè)計中用于顯示電路。 3. 3 顯示部分圖3.10 控制部分電路圖 由STC12C5A60S2控制LCD1602顯示流程如下圖 圖3.11 程序流程圖
4 制作電路板[11]電子設(shè)備使用印刷電路板幾。PCB讓電子零件鑲在上面。除了固定各種小零件，印刷電路板的主要功能是提供各種部件電連接。隨著電子技術(shù)的發(fā)展使電子設(shè)備的功能越來越多。印刷電路板的電路和元件越來越密集了。 板片由絕緣材料制成，不易彎曲的材料。銅箔覆蓋在整個板子上。在制板過程中大部份被蝕刻掉。剩下來的部份為網(wǎng)絡(luò)線，這些線被稱為導(dǎo)體（導(dǎo)線）或布線。導(dǎo)線提供PCB部件連接。 電路板制作基本流程：1繪制原理圖；2繪制非標(biāo)準(zhǔn)器件的封裝庫；3選定PCB設(shè)計環(huán)境；4零件布局；5放置覆銅區(qū)；6做DRC檢測。 PCB設(shè)計規(guī)則：1板型大小：110mm*195mm和85mm*90mm；2間距約束線：0.3mm；3線角模式：45°；4布線層：頂部、底部；5穿孔類型：通孔、焊盤大�。�1.28mm，通孔直徑：0.6211mm；6走線寬度:最小0.261mm，最大5.2mm，最佳0.80mm；7其它設(shè)置為默認(rèn)值。 PCB板效果圖如圖4.1,4.2所示：  
圖4.2 PCB板效果圖2 圖4.1 PCB板效果圖1 5制作和調(diào)試中的問題及其解決。
5.1硬件中的問題主要是高頻變壓器在接通電路后，高頻變壓器異常發(fā)熱，電源芯片異常發(fā)熱，增加負(fù)載時輸出電壓迅速降低。 原因是高頻變壓器發(fā)生了磁飽和。 解決方案1適當(dāng)減少一次繞組的磁感量Lp。 2選擇尺寸較大一點的磁心。 3給磁心留出一定的氣隙寬度。 5.2軟件調(diào)試中的問題1問題：液晶不顯示。 原因：引腳配置錯誤。 解決：軟件里修改了引腳配置后，顯示正常了 2問題：電壓顯示不準(zhǔn)。 原因：數(shù)模轉(zhuǎn)換和實際電壓值之間的關(guān)系倍數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)。 解決：軟件里修改數(shù)模轉(zhuǎn)換和實際電壓值之間的關(guān)系倍數(shù)。
本設(shè)計通過設(shè)計實現(xiàn)了將220V50Hz交流市電轉(zhuǎn)換輸出從0到30V的可調(diào)直流穩(wěn)定電源。輸出的最大電流：3A。通過由按鍵按下每次0.1v控制調(diào)節(jié)電壓增減。數(shù)值可以通過液晶顯示LCD屏顯示輸出電壓。
本設(shè)計大電流輸出可調(diào)開關(guān)電源由主電源電路、輔助電源電路以及顯示部分電路組成。硬件用到集成芯片UC3843設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，體積小，易于操作。主電源電路和輔助電源電路都用到高頻變壓器。顯示電路通過STC12C5A60S2為主控制器。顯示電路還用到AD558JN、AT24C02、LCD1602等。通過按鍵K1、K2調(diào)節(jié)輸出電壓。
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