数字开关电源的设计与实现.pdf数字开关电源的设计与实现pdf,数字开关电源的设计与实现广东工业大学

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详细说明：数字开关电源的设计与实现pdf,数字开关电源的设计与实现广东工业大学硕士学位论文 Abstract Power is an important component of electronic equipment, electronic equipment directly affects the quality of the work, so more and more attention. with the power electronics industry, electronic equipment from the initial linear power supply to the switching power supply development. Switching power supply in the electronics industry lay an increasingly important role, has been widely applied to aviation, communications transportation and other fields. Control the power of analog circuits and applications have been developed for many years, but it is still much to be desired. The field of digital switching power supply into power the focus of attention because of the relative analog control digital control has significant advantages: simplifies the hardware design, analog circuits to overcome the temperature drift of the parameters in the title flexible control and easy to implement advanced control. In this paper, using digital switching power supply control method of the analysis and design, to the performance in practical applications more stable, smaller, more efficient switching power supply. This paper introduces the basic concepts of digital power, features and current trends at home and abroad, through the digital pwm modulation analysis and discussion of various ways for the design of digital switching power supply system provides a theoretical basis and guidance. Design requirements for the project were the main circuit design, circuit design process in the main details of the topics used in full-bridge converter, and the main circuit components of the selected parts were analyzed and calculated. For the choice of the main power conversion and driving control and protection technology, we conduct key research. Secondly, according to design needs, the paper also based on M0516's full digital control system was introduced, constitutes a power control system are discussed in various hardware and software module design principles and programs. External control system include the main controller circuit, the output voltage and current sampling circuit, keyboard and digital display circuit, auxiliary power circuit. Control using PWM control, software design including microcontroller applications, A/D conversion subroutines, PID algorithm subroutine, keyboard and digital display subroutine and so I abstract Entire paper to the main line power supply design, the detailed analysis of the circuit, based on the main circuit parameters for system design, control loop design, aided circuit design, simulation, software Key words: Switching power supply; Digital control; Full bridge; PWM control; drive circuit Contents Contents Abstract(Chinese).eeeeeeseeeseeeeoeeeeeeee0e0. Abstract( English)… Contents(Chinese)eaooeo.ooooo. IV Contents (English).oese aeoon0980000800000000000008000000008000..VII Chapter 1 Introduction.easeeeceeaseeeoesoeceeeeeeaeseeaseeeaseeaeeeneeeeeeeeemeeoeemeeeeeceeeeeeeeeeeseeeeeeesee I 1.1 Research background 4●中●中·白非山·非奋自自由自山白非鲁中曲番曹自看曹 1.2 Research topics and trends at home and abroad 1.3 research significance of the research work.c.o. 244 1.4 The main research conent Chapter 2 Power Supply scheme Selection 2. 1 The basic principle of switching power supply.. 2.2 Switching power supply topology. 。··辛章辛·非中导中中自鲁非鲁着·非音非目非非鲁非中窄中号音音非P 2. 3 The selection of switching power supply control program.......... 12 2. 3. 1 Control of switching power supply.... 12 2.3.2 Analogy and digital control comparison.......13 2.4 PWM wave control precision.. 2.4.1 Microcontroller hardware timer accuracy 15 2. 4.2 Micro-controller software algorithm to solvem 2.5 Chapter Summary..,.,.,..,,.,…………,17 Chapter 3 Digital switching power supply design of the hardware platform s. 18 3. 1 The switching power supply design requirments............18 3. 1. 1 The basic functions of switching power supply... 18 312 Switching power supply design requirments..,…………,18 3.2 Digital design of main circuit switching power supply.. 自命4··非·音·着·市·。●●·看非·要P 19 3.2.1 The overall design of the main circuit 3.2.2 Full-bridge rectifier filter circuit................... 19 3.2.3 Design of full-bridge inverter circuit 命…… 20 3. 2. 4 Choice of power switch...... VII 广东工业大学硕士学位论文 3.2. 5 Design output rectifier filter 3. 2.6 Analysis of main circuit simulation 24 3.3 Digital switching power supply control circuit ●p香·鲁自曲ψ 中中香香·中专◆ 鲁·鲁 25 33. I Principles of control systems…,,………………25 3.3.2 Numicro mo516 microcontroller resource allocation 26 3.3.3 Sampling circuit design ·.· 27 3.3.4 Protection circuit 29 3,3. 5 Isolated drive circuit 中····p●4香4命··垂4吾命●·4辛4每自西自4t:鲁普音音t自·是·非非鲁自非 9 3.3.6 Design of man-machine interface... ms... ...........30 34 Auxiliary power supply…… ·曾普卷卡非鲁甲。专鲁谷非非中单且白自自目点自自自自 33 3.5 Soft-start circuit 134 36 Chapter summary…,..,… 非春自非自p卓·●··非春非D非非非·非非 35 Chapter 4 Control systems softwave design .000040900009000000080009009000090000936 4. 1 General scheme of softwave 4.2 Control algorithm.. ··司4a4.·.4:44··4···命··as 4.3 The main design......39 44 A/D interrupt subroutine….…. 非专章章中寺·中中章专业甲 4.5 Keyboard and digital display module subroutie design-.……,…,…..140 4.6 Chapter summary… 43 Chapter 5 Power system research and design of anti-jamming technology.a 44 5.1 EMI source 命命··。看·◆非辛中中单·甲导·中↓增中4命D◆垂咖鲁音看·中·身·..阝甲售是·费音 5.1.1 Intemal sources of interference 要中要中e:v·音4·日··。普;中非是“非昏看 5. 1.2 External linterference 5.2 Hardware interference 52 I Power eMC design.… 46 522PCB’ S EMC design 5.3 Software anti-iinterference technology. 5. 4 Chapter summary 50 Chapter 6 The power test results and analysis.oenone osooooeoeoooooenoe 51 6.1 Power off test 51 VI Contents 6.2 Test machine 52 6.3 Chapter summary. 52 Summarize .sseeoeseseeseseseesumsseasaeoosossoessoeosaenaesgnasgsaosgeasonooassoseospoogooogggoggooooooooooooo 53 Reference ◆●●●●●命合●●●D●●自●●●●●●辛看鲁。●●命物命命命咖杂命命自命●看鲁●鲁●会●鲁自●●看命看●●●昏t 55 Pepers published during studying for master degreeenosoooaoo.58 Announce of original creation…………… 59 Acknowledgement.oeeeoeeooeo00e0009000000080000000000000000080000000800808010000090000000000000060 Appendix switching power supply physical maps. oBana.. 60 笫一章绪论第一章绪论本章首先概要的提出了本课题的选题背景和来源,然后分析了国内外数字开关电源的研究现状及发展趋势,在此基础上指出了本论文的研究意义所在和所要做的主要工作,并对论文结构安排作了说明。 1.1课题的研究背景电子设备离不开电源,电源供给电子设备运作所需的能量,这就决定了电源在电子设备中的重要性。电源的质量直接影响着电子设备的工作可靠性,所以电子设备对电源的要求日益提高。现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。这两类电源由于各自的特点而被广泛应用。线性稳压电源的优点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。它的不足之处是要求采用工频变压器和滤波器,它们的重量和体积都很大,并且调整管的功耗较大,使电源的效率大大降低,一般情况不会超过50%。但它的优良的输出特性,使其在对电源性能要求较高的场合仍得到广泛的应用。相对于线性稳压电源来说,开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备的要求,从20世纪中期开关稳压电源问世以来,由于它的突出的优点,使其在计算机、通讯、航天、办公和家用电器等方面得到广泛的应用,大有取代线性稳压电源之势。开关稳压电源的主要优点有:效率高;可靠性和稳定性好;体积小、重量轻;对供电电网电压的波动不敏感;在电网电压波动较大的情况下,仍能维持较稳定的输出。目前,我国市场上所谓数字式开关电源一般其实只具有数字显示,其控制系统本质上还是采用模拟控制或者模拟与数字相结合的控制,核心技术还是没有本质的改变,导致依然有着模拟控制系统的固有缺点。比如在调节微小的变化量时,往往需要反复操作很多次才能比较准确地达到想得到的输出值,在意外掉电时电源设定值会丢失。这样其使用的灵活性和方便性存在大大的局限性。相对于模拟控制技术,数字电源大大减少了在模拟电源中常见的误差、老化、温度影响、漂移、非线性不易补偿等问题,其稳定的控制参数使得产品个体无需精细调节即可获得很好的一致性,可靠性好,可生产性好。基于高速微处理器的数字广东工业大学硕士学位论文控制技术,除了具备数字控制技术本身的特点之外,由于其更快速的数据处理能力, 还有其独特的优势,包括实现更先进的控制算法、更好的优化效率、更高的数据采集精度和控制开关调节频率、更高的控制精度和可靠性、优秀的系统管理和互联网络监控功能。在今后相当长的一段时间内,集数控、数显、记忆功能于一体的可调式开关稳压电源将成为主流,相关的技术研究领域也是电源技术工作者致力于研究的热点。开展集数控、数显、记忆功能、完善的保护措施于一体的可调式开关电源技术的研究是有必要且具备重大应用价值的。正是在这样的背景下,本文试图综合现有的国内外最新开关电源技术,期望研究和设计出经济可靠、有较高技术含量、有推广价值和市场竞争力数字控制开关电源 1.2数字式开关电源的研究现状及发展概况自从上世纪60年代开关电源问世以来,相关技术有了飞速发展和变化,经历了几代功率半导体器件的应用、高频化和软开关技术、开关电源系统综合集成的三大技术发展阶段。提升功率半导体器件高效性;提高开关电源功率密度;高频磁集成与同步整流技术的应用;模块化分布式电源结构设计;低污染电磁兼容性设计等成为现代电源技术关注的热点随着DsP、ARM等电子器件的小型化、高速化,开关电源的控制部分正在向数字化方向发展。由于数字化,使开关电源的控制部分智能化、零件的共通化、电源的动态的远距离监测成为了可能;同时由于它的智能化、零件的共通化使得它能够灵活应对不同客户的需求,这就可以降低开发周期和开发成本。依靠现代数字化控制和数字信号处理新技术,电源数字控制成为一个新的发展趋势,已经逐步在功率变换设备中到推广和应用,行业内部称采用数字控制技术的功率变换设备为数字电源。近年来,以数字信号处理器(DSP)为控制核心的大功率数字电源技术己经受到很多高校、电力电子技术专业机构和电源系统提供商的重视,形成了相关的研究课题,国外每年都有很多这方面的技术性论文发表,市场上也开始逐步推出了全数字化的电源产品。随着数字电源的研究势头与日俱增,相关成果也越来越多。虽然目前中国制造笫一章绪论的关电源占了世界市场的80%以上,但是都是传统的比较低端的模拟开关电源。高端市场上几乎没有我们的份额。在美国、日本、瑞士等发达国家,对数字化电源的研究正走世界前列。一直以来,业界对于数字电源的概念争论不一,对应的产品也是五花八门,有全数字控制芯片,也有披着“数字外衣”的模拟控制器,还有模拟和数字混合的电源控制器。时至今日,业界比较认同的是TI公司从功能上对数字电源进行的定义数字电源就是数字化控制的电源产品,它能提供配置、监控和管理功能,并延伸到对整个回路的控制。也就是说,数字电源包括两部分:PWM反馈回路的全数字控制;电源管理与通信。而基于这一概念,自2005年下半年开始,以“全数字控制回路”为特征的数字电源控制芯片开始出现,TI、 Silicon labs、 Zilker labs、凌力尔特、艾默生等公司纷纷推出了产品,并进入到高端ACDC电源设计中,标志着数字电源开始由热炒的概念走入实际应用。日前数字电源技术并非十分成熟,实现全数字化控制还存在许多难点,需要有大的突破,具体包括以下几个方面: 1.数字信号处理速度与高频开关的开关速度不相称。以普通的50 KHZ AC/DC 变换器为例,开关周期仅为20us。要在这期间完成信号检测、控制方程计算、PWM 驱动信号生成这些复杂的任务,同时还要实现与整个系统的通讯,这就需要数字信号控制芯片有极高的运行速度。单片机在速度上无法达到要求。目前用于电源控制的DSP芯片可以实现开关频率在100KHZ左右的ACDC变换器,控制要满足更高频率或者更复杂的控制要求仍将是十分困难的。 2.变换器开关动作对采样的严重干扰。开关功率变换中的模拟控制器信号取样一般是连续进行的,而数字控制的采样是离散完成的,这就使得变换器的瞬间开关噪声对后者影响更严重。高频功率变换器本身的开关噪声发生时刻与信号采样时刻往往不容易错开,采集到的信号不能用来进行有效的控制。由于在一个开关周期内仅仅来得及釆样一两次,对于那些需要快速反应的信号来说,模拟和数字滤波的方法均难以应用。因此,必须探索符合开关功率变换技术特点的新的有效采样方法及控制方法。 3.检测信号的量化误差导致输出响应极限环振荡,从而会大大降低控制精度。 4.高速运行下数字PWM分辨率急剧下降。在数字化控制中,PWM的脉宽吋间分辨率取决于控制器的指令周期与开关周期的比值。仍以普通50KHAC/DC变 3

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