数控直流稳压电源的设计与制作

数控直流稳压电源的设计与制作学院：信息科学与工程专业：电子信息工程班级：1班姓名：XXX指导教师：XXX2任务书——数控直流稳压电源1.基本功能实现：（1）可输出电压：范围1～5V，步进0.01V，纹波不大于10mV。（2）可输出电流：150mA。（3）可输出电压值由数码管显示。（4）由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减。（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出输出±15v,+5v。2.设计报告：（1）开题报告：包括可行性分析，方案比较，方案的确定，系统方框图，经费预算，组内分工，进程安排等。（2）理论方案书：具体的原理图，逻辑分析，理论计算，电路仿真结果等。（3）验证方案及验证结果：包括验证方案的原理，采取的措施，实际验证的结果等（4）设计总结：包括实践中出现的问题，解决方法，心得体会等。（5）参考资料：包括采用的芯片，电路，参考书等。3摘要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、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。特别是随着小型电子设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。本文基于这个思想，设计和制作了符合指标要求的开关稳压电源。开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点,被称作高效节能电源。由于开关稳压电源具有这些优点，基于这个思想设计了一个1～5V可调的低功率开关稳压电源，以满足小型电子设备的供电需要。本文以开关电源的发展历史、发展现状以及发展趋势为线索，介绍了开关电源的一些新技术，技术指标，分类标准等。并根据这些标准设计了一种满足小型电子设备供电需要的开关稳压电源。电源设计的主要指标是：输入电压为AC220V，输入频率为50HZ，输入电压范围为AC165V～265V，输出电压为直流1～5V可调，输出最大电流为150mA，输出最大功率为2.25W。最后在完成基本指标的基础上，本文还增加了防浪涌电流的附属功能，使电路更加满足小型电子设备的用电需要。数控直流稳压源就是能用数字来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；本文介绍了利用数/模转换电路、辅助电源电路、去抖电路等组成的数控直流稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略；它与传统的稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其结构简单、制作方便、成本低，输出电压在1～5V之间连续可调，其输出电压大小以1V步进，输出电压的大小调节是通过“＋”“－”两键操作的，而且可根据实际要求组成具有不同输出电压值的稳压源电路。该电源控制电路选用89C51单片机控制主电路采用串联调整稳压技术具有线路简单、响应迅速、稳定性好、效率高等特点。详细分析了电源的拓朴图及工作原理。关键词：稳压电源；单片微型机；数控直流；D/A转换4引言数控支流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛的用于电子电路，教学实验和科学研究等领域。目前实用的直流稳压电源大部分是线性电源。利用分离器件组成，其体积大，功率底，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子科技的飞速发展，各种电子，电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断差朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且单片机具有计算和控制功能，利用它对采样技术进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差，大大提高稳压电源输出电压和输出电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护检测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限制电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。5目录摘要……………………………………………………………………………3引言……………………………………………………………………………41绪论……………………………………………………………………………………………62开关电源的概述………………………………………………………………72.1开关电源的定义………………………………………………………………………………………………………72.2开关电源的分类………………………………………………………………………………………………………72.3开关电源的选用………………………………………………………………………………………………………92.4开关电源技术的发展动向…………………………………………………………………………………………102.5开关电源的工作原理和特点……………………………………………………………………………………..103本设计方案思路……………………………………………………………………………133.1稳压源的技术指标和要求………………………………………………………………………………………..133.2总体设计框图…………………………………………………………………………………………………………144单元电路设计………………………………………………………………………………154.1稳压电源部分…………………………………………………………………………………………………………154.2显示部分……………………………………………………………………………………………………………….154.3数模转换部分…………………………………………………………………………………………………………164.4模数转换部分…………………………………………………………………………………………………………164.5数字控制部分…………………………………………………………………………………………………………174.6按键控制部分…………………………………………………………………………………………………………174.7整体原理图...…………………………………………………………………………………………………………184.8整体PCB图…………………………………………………………………………………………………………195系统软件部分………………………………………………………………………………206制作与调试………………………………………………………………………………….216.1硬件电路的布线与焊接…………………………………………………………………………………………….196.2电路的组装与调试……………………………………………………………………………………………………197分析与心得…………………………………………………………………………………..226参考文献……………………………………………………………………………………….24附录……………………………………………………………………………………………..25第1章绪论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、生活的关系益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自源，因此，电源越来越受到人们的重视。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐步取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了！开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制—PWM开关电源效率可达65～70％，而线性电源的效率只有30～40％。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。7第2章开关电源的概述2.1开关电源的定义开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。开关电源的三个条件：1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流2.2开关电源的分类人们的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，8因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。2.2.1DC/DC变换DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。（3）Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关