开关电源的设计与制作精选(九篇)

第1篇：开关电源的设计与制作范文

关键词：电流控制方式；PWM；开关电源；设计

随着国家政策的倾斜，我国电力的发展越来越快，对开关电源性能的要求也越来越高。基于电流控制方式的PWM开关电源是一种高精度控制的形式，利用该设计形式可以保证配电系统输出电压、电流的稳定性，由此确保整个供配电系统具备相对较好的动态响应性和输出稳定性。下面，主要针对基于电流控制方式的PWM开关电源设计展开讨论，以便可以实现更好的开关电源设计。

1 开关电源的控制方式

开关电源的实质是完成DC-DC变换过程的一套系统，其构成部件主要涉及主电路和控制电路两个方面。由于PWM电流控制开关电源使其开关动作始终受到固定脉冲波控制，所以它的脉宽也将根据负载与输入电压值的变化而变化。基于电流控制方式的PWM开关电源的电路控制须依仗开关控制通断，从而实现利用输出电压调节并控制主电路的整体工作。究其控制的参数而言，开关电源控制的方式主要涉及电路模式和电压模式两种。电流模式则涉及平均电流模式和峰值电流模式两种，且电流模式在实现高精度跟踪电流设定值方面具有良好效果，且对电流放大装置具有增益效果，并能在任何一套电路中实现拓扑应用。与此同时，平均电流模式不需要斜坡补偿，因而在PWM开关电源设计中可以优先考虑选用平均电流控制模式。

2 基于电流控制方式的PWM开关电源的设计

2.1 设计思路

基于电流控制方式的PWM开关电源设计根本是将电压电流的平均值设定为电流控制内涵的控制信号，然后利用控制信号实现对整个开关电源的控制。在开关周期内，电感电流的积分值和电流的平均值呈正比关系。因此，利用控制电流积分值可以有效控制电感电流的平均值。比如，于Buck型开关电源内设定恒定的输入电压，也就是说明它可以完全忽略输出电压纹波。利用电流控制环路可增加部分调解积分的电流误差放大装置，即可完成对平均电流的控制。于某个开关周期中，也可利用电流误差放大装置对电路输入端电压并确定平均电流值，利用对电阻电压信号的检测取样又可取得电感电流的实际值。然后，将以上取得的电感电流实际值输送到电路误差放大装置，使得电感引起的高频达到极点，从而实现电流高频噪声的有效抑制。与此同时，计算比例积分，且选用适宜的电路参数，即可保障整个电路具备良好的稳定性。

2.2 系统建模

基于电流控制方式的PWM开关电源的设计应以维持输出电压或输出电流的稳定为前提条件，利用负反馈控制和Buck型电路作为建模基础。与采用峰值电流模式的PWM开关电源相比而言，平均电流模式还需在开关电源中配置一套电流调节装置。另外，电路系统功率控制应构建一种功率级模型，该模型包括多组输出变量与输出变量，其主要目的在于获取占空比于输出电压或电感电流之间的相互控制关系，也能掌握输入电压于以上二者参数之间的相互作用关系。当前，不同种开关电源的主电路连接形式有所不同，不同物理量的相互关系于功率级电路内仍然维持原状。因此，可利用开关级等效电路嵌入PWM开关电源拓扑结构的方式构建功率级模型。然后，又可在功率级模型的基础之上对控制回路予以建模。控制回路则主要由电流检测部件、电流调节装置、电压调节装置、电阻分压装置和占空比调制装置组成。电流检测部件则由电流检测放大装置和电感元件以串联方式构成，可实现闭环变压的放大功用。电流调节装置则由电阻电容网与运放系统构成，可接收电流检测部件两组输入信号，且同时又能利用电流信号运算实现调节电流的作用。控制回路内仍需通过占空比调制装置来接收调节装置运算数据并得到输出电压值和斜坡输入电压值，最后可以获知占空比变量和电压信号二者之间的联系。在该环节中，电流的斜率与幅度将发生较大的变化，因而可以完全实现对电流的有效控制。同时，利用运算获得的模块传递函数便可构建起平均电流控制模型下的PWM开关电源系统模型。

另外，若电压环处于开路状态下，可应用Ti（s）来定义电流环开环环路电流的增益传递函数。在分析电流增益函数以后，可为系统电流调节装置的整个回路提供有价值的参数依据，从而保证电路系统的稳定性和高效性。电压负反馈环在断开状态下，电流环路的增益可由Ti（s）=TpiR1GCL（s）Fm公式计算。电压环处于断开或电流环处于闭合状态下，输入信号则为控制电压V0，输出信号则为负载电压V0，且控制电压则为控制负载电压。由已构建的系统模型可实现电流环路的低频增益、相位裕度和截止频率的具体反映，也可提升整个电路系统的高精度控制。同时，在设计实际电路系统中，通过对应实际电路的构造结构与模型环节便能确保整个电路系统设计的高精度控制。

2.3 仿真分析

本节仿真分析的主要目的在于对已构建系统模型的精度控制予以验证，利用Matlab数学模型绘制系统控制电压于输出电压的传递函数Bode图形。利用以上方式，即可设计出一组30V/50全桥开关电源，其开关的频率则为20kHz，而输入电压的变化率可保证处于±10%范围内。同时，开关电源滤波电容约为1000Μf，滤波电感则为1Μh。通常情况下，开关电源的相角不小于45°，因而可以保证电路系统的良好稳定性。与此同时，电路系统在穿越频率方面较高，因而保证了电路系统具有良好的高效性。另外，电路系统外部存在干扰电压，整个电路系统的输出电压将继续维持稳定。最终，我们所设计的基于电流控制方式的PWM开关电源是一种兼具稳定性与高效性的元件，只有具备良好的系统稳定性和高效性才能确保整个电路系统具有应有的动态响应特征。

3 结束语

随着我国电力需求日益增加以及电力市场不断完善，开关电源设计工作逐步趋于完善。基于电流控制方式的PWM开关电源设计可获取一种以平均电流PWM开关电源建模方案，在其设计过程中通过功率级传递函数构建与之相应的数学仿真模型，并通过Matalb对响应的数学仿真模型予以验证，并根据该模型完成系统设计。经系统建模、仿真分析两个重要步骤得出的平均电流PWM开关电源具备良好的系统稳定性和动态响应特征，可以满足各类电路系统的需求，希望借此论文为广大同行朋友提供一些可供参考的依据。

参考文献

[1] 解凌云，丁然.移相控制软切换PWM开关电源设计[J].鞍山钢铁学院学报，2012，（02）：98-101.

第2篇：开关电源的设计与制作范文

关键词： 开关电源；数字控制；单片机

中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210075－01

0 引言

直流稳压电源已广泛地应用于许多工业领域中。在工业生产中（如电焊、电镀或直流电机的调速等），需要用到大量的电压可调的直流电源，他们一般都要求有可以方便的调节电压输出的直流供电电源。目前，由于开关电源效率高，小型化等优点，传统的线性稳压电源、晶闸管稳压电源逐步被直流开关稳压电源所取代。开关电源主要的控制方式是采用脉宽调制集成电路输出PWM脉冲，采用模拟PID调节器进行脉宽调制，这种控制方式，存在一定的误差，而且电路比较复杂。本文设计了一种以ST公司的高性能单片机μpsd3354为控制核心的输出电压大范围连续可调的功率开关电源，由单片机直接产生PWM波，对开关电源的主电路执行数字控制，电路简单，功能强大。

1 功率直流电源系统原理与整体设计

1.1 系统原理。本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID调节器控制PWM输出，从而控制开关电源的输出。

1.2 系统整体设计。系统硬件部分由输入输出整流滤波电路、功率变换部分、驱动电路、单片机系统和辅助电路等几部分组成。

当50Hz、220V的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰，然后进入到输入整流滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号，高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出。控制电路采用PWM脉宽调制方式，由单片机产生的脉宽可调的PWM控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。 利用单片机高速ADC转换通道定时采集输出电压，并与期望值比较，根据其误差进行PID调节。电压采集电路实现了直流电压V0的采集，并使其与A/D转换器的模拟输入电压范围匹配，在开关电源发生过压、过流和短路故障时，保护电路对电源和负载起保护作用。辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。

2 开关电源主电路设计

开关电源主电路是用来完成DC-AC-DC的转换，系统主电路采用全桥型DC-DC变换器，本系统采用的功率开关器件是EUPEC公司的BSM 50GB120DN2系列的IGBT模块，每个模块是一个半桥结构，故在全桥系统中，需要两个模块。每个模块内嵌入一个快速续流二极管。

3 控制电路硬件设计

3.1 控制电路结构框图。功率直流电源的控制电路采用ST 公司的μpsd3354单片机为核心。控制电路主要完成如下功能：电压采集、A/D转换、闭环调节、PWM信号产生，IGBT驱动与保护、键盘输入和输出电压显示等功能。控制电路主要包括：单片机系统、电压采集电路、IGBT驱动电路和键盘、显示电路等。系统通过PWM输出控制功率转换开关的导通与关断时间，完成对输出电压的稳定控制，通过A/D转换完成对开关电源输出电压的采样，同时采用电压闭环控制，开关电源工作时，根据期望值与电压反馈值的偏差，由单片机实现对PWM占空比进行PID调节。

3.2 IGBT驱动电路设计。为了精确控制开关电路的电压输出，本系统采用脉宽调制方式调节开关管的工作状态。根据电压控制算法（可采用改进的PID控制算法）设置单片机产生不同占空比的方波信号，经过光电耦合器控制开关器件，调整电路输出设定的电压值。要使IGBT正常工作，合适的驱动是至关重要的。驱动电路的任务是将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。同时驱动电路通常还具有电气隔离及电力电子器件的保护等功能。

3.3 传感器输入通道与A/D转换。系统通过电压传感器采集电压信号，经过A/D转换被单片机接收。本系统采用CHV系列霍尔电压传感器采集电压，采用μpsd3354单片机内部的A/D转换器进行模数转换，线路连接简单，精度最大为5mV。基本能满足控制要求。

3.4 键盘和显示电路。功率直流电源的键盘和显示电路部分都装在操作面板上，由单片机控制。本系统采用自制4×4矩阵键盘，以单片机的PB4～PB7做输出线，PB0～PB3做输入线。显示部分采用动态数码显示，以专用的数码管显示驱动芯片MAX7219进行驱动。

4 系统软件设计

系统软件主要由主程序和中断服务程序组成，主要用来实现以下功能：键盘扫描、数码显示、A/D转换、数字PID调节和PWM波形产生等。键盘扫描和数码显示这里不作介绍，本设计主要是采用软件方式来实现功率直流电源的数字控制。

4.1 主程序设计。主流程在完成各种变量和I/O初始化后，可以输入期望电压值并存入寄存器，当按下启动按钮后，启动电源系统，这里设定启动时，使PWM输出占空比为最小值，即0.1％。启动后，调用A/D转换子程序并读入键值，将反馈电压值与给定电压值相比较后，调用PID调节运算，更新驱动波形的占空比，然后调用PWM产生子程序输出PWM信号，并通过显示子程序显示输出电压。

4.2 A/D转换部分子程序。直接利用单片机10位ADC口，A/D转换部分程序比较简单，程序只要完成如下功能：选择模拟输入通道，并预制分频数；配置控制寄存器ACON；读取A/D转换后的数值，返还ADTA0、ADTA1中的数据。

4.3 PID调节子程序。PID调节由单片机来实现，单片机对给定信号与反馈信号相减得到的误差来计算调整量，用以控制开关的占空比。算法中，做了一点修正，当偏差与积分符号相反时，积分清零。因为若符号相反，说明积分项起了反作用，故把积分项清零。

5 结束语

本系统将开关电源与单片机系统结合起来，设计了一种输出电压连续可调的功率开关电源。该电源精度高，电路简单，操作灵活，具有良好的应用前景。单片机控制直流电源符合电力电子新技术产品向“四化”方向发展的要求，即应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化。

参考文献：

[1]PressmanA，开关电源设计二版[M].王志强译，北京：电子工业出版社，2005.

第3篇：开关电源的设计与制作范文

【关键词】单片机教学平台；STC12C5A；数据采集；模拟检测

1.供电电路设计

本设计之所以设计USB接口和电源适配器两种获取电源的方式，主要原因是满足不同实验的需求，当实验只涉及到完成简单编程训练时，USB接口提供的电源就可以满足需求，而当利用工业仿真平台进行实训训练时，则需要开通I/O过程通道，此时USB接口提供的电源就无法满足需求，则需要使用电源适配器从交流220V电源点获取电源。

（1）电源接入。本实验台使用5V电源作为工作电源。考虑到获取电的方便性，设计了两种方式获取电源：一是采用USB接口（J1）从PC机中获取，另一个是使用电源适配器从交流220V电源点获取（J2）。图1中，两路电源输入接在一个单刀双掷乒乓开关上（S1），由该开关互斥选择其中一路供电，在只有一路电源时，也实现电源开关的功能。电源接入后采用电容器平滑滤波，供系统使用。为了直观指示电源的工作状态，设计了一个LED指示灯指示实验台电源态。

图1 电源接入电路图

（2）模拟电源。模拟量信号调理电路所需±12V电源，采用广州金升阳公司的IA0512KS高精度DC/DC模块实现。该电源模块实现将5V电源转换成±12V电源，供模拟电路使用。

（3）DI/O电源。DI过程通道和DO过程通道各采用一只5V到24V转换的B0524S模块（U1和U2）实现。由于继电器操作时产生的噪声大，为了让两种过程通道之间互不干扰，本文在设计供电电源时，有意将二者分开供电。根据实验台课程实验和实训实践不同的应用需求，I/O过程通道的电源采用跳接器（JP1和JP2）选择是否使用，当跳接器不跳接时，对应的I/O过程通道不带电，停止工作。

2.CPU最小系统设计

由于内置了数据存储器和程序存储器，STC12C5A最小系统设计相对简单。依据STC12C5A数据手册，配合芯片实现晶振电路和复位电路即可。STC12C5A芯片的复位电路与传统的MCS-51不同，该芯片有两个复位端，本文严格按照数据手册建议的电路设计。为了配合ISP软件下载，P1.0和P1.1管脚的状态通过JP20设置，实现软件下载和正常运行状态的切换。

3.异步串口接口电路设计

（1）RS232接口电路设计。实验台的RS 232接口用于与PC机连接，实现ISP和与超级终端通信功能。由于STC12C5A使用内置的UART0控制器实现在系统编程，硬件设计时将UART0的收发线与RS232接口芯片连接，实现电平转换功能。本文选用SPEX公司出品的SP202E完成RS232接口电路的扩展。

（2）RS485接口电路设计。实验台RS485接口用于与上位机连接，实现实时数据通信。与RS232接口实现方法一样，将STC12C5A内置的UART1的收发线与RS485接口芯片连接，实现电平信号到差分信号的转换。本文选用SPEX公司出品的SP3483完成RS485接口电路的扩展。

4.ST7290液晶显示器驱动电路设计

本实验台的液晶显示器访问驱动采用CPLD实现，液晶显示器的管脚直接与CPLD连接，CPLD内部设计了1片74HC245和一片74HC573实现对液晶显示器的访问控制。74HC573用于控制ST7290液晶显示器的读写与控制信号，包括LCDRS、LCDE、LCDRW、LCDON等。

出于对省电和延长液晶显示器寿命等因素的考虑，采用8050开关型三极管对液晶显示器的背光电源进行了控制。在实验台上电启动和有键盘操作时，由软件通过设置74HC573锁存器的对应位打开背光电源。如果超过1分钟没有键盘操作，则关掉背光电源，液晶显示器进入省电工作模式。

5.键盘扫描电路

键盘扫描是人机交互需实现的基本功能之一，本实验台上的安装了8个微型按键当做操作键盘。按键序列一端接地，另一端接上拉电阻之后接CPLD的I/O引脚，CPU通过CPLD内部设计的74HC245读取按键的状态。当有按键按下时，对应的输入回路接地，CPU读取到的按键状态为0；反之，按键弹起时，由于上拉电阻的作用，读取到的状态为1。实验台软件定时（20ms）读取键盘状态，进行去抖动处理之后，判断是否有按键按下，如果有按键按下，则在液晶屏上显示相应的信息，从而实现人机交互的功能。

6.DI输入过程通道

8路开关量信号采样输入过程通道工作原理如图2所示。从工作原理上讲，开关量信号输入过程通道的工作原理比较简单，本文设计的开关量信号输入回路采用24V电压驱动，为了确保光耦可靠工作，每个采样回路的限流电阻为3k，工作电流为8mA。为了直观判断刀闸的工作状态，每个采样回路设计了1个发光二极管指示其辅助触点的分合状态；为了防止工程人员施工时将电源接反，造成光耦损坏，回路中设计了一个反向连接的二极管予以保护；为了抑制过程通道中的毛刺干扰信号，输入回路采用一阶RC滤波回路吸收过程通道中的毛刺信号；8路开关量状态由两只TIL521-4光耦实现输入采样回路与板内I/O访问电路的隔离，10k上拉排电阻用于确定光耦输出截止时的高电平状态。光耦输出的外部开关量状态送CPLD内的74HC245芯片，通过CPLD内部设计的选通74HC245的片选信号将外部的8个状态送数据总线，实现CPU对DI状态的读取访问。

为了方便模拟实现外部开关状态的变位，每路开关量输入通道设计了一个3P跳接器，在没有接入外部开关信号时，将跳接器与24V+接上，即可模拟外部开关节点闭合的状态。

图2 开关量输入电路图

7.信号发生器

如图3为使用ICL8038构成高性能、多量程、多功能信号发生器。该电路可同时获得方波、三角波及正弦波输出。

图3 函数信号发生器电路图

图4 模拟量输入电路图

电路中R51、R53为方波输出占空比调节电阻，VR4用以对R51、R53进行微调。VR2、VR3、VR4及R31组成分为压网络，通过调节VR3，改变ICL8038第8脚输入电压，从而获得不同的频率输出。C58-C61外接电容。由JP3-JP6选择可得到四个频段的信号输出。为了改善正弦波的失真度，在第1、12脚用了两套微调电路，通过调节VR6、VR7可使正弦波输出对称，且失真度可调到1%以下。

ICL8038第9脚输出方波经R32可得到+5V方波输出。第3脚输出±3V的三角波经R54直接输出。第2脚输出经过电容C62输出正弦波。

在实验台组装电路时，电容C58-C61应选用钽电容，电阻为1/4W金属膜电阻。电路中当R51=R53时，输出方波占空比为50%。通过JP3-JP6改变未接电容可获得如下四个频段。输出方波、三角波、正弦波的波形见图（占空比为50%）。

8.AI输入过程通道

模拟量输入通道由输入信号滤波、模拟多开关、信号调理、AD转换等部分组成。鉴于图形篇幅，模拟量输入RC滤波电路没有在图4中体现。

如图4所示，外部输入的8个模拟量信号AIN0～7先接入CD4501 1：8模拟多路开关，由iMUX0～2三个信号选择需要采样的模拟量信号，通过CD4501的Sm管脚输出。CD4501输出的信号先采用OPA2277运放进行电压跟随，压随器的输出参与模拟量的运算。由于PR1要参与模拟量的运算，其精度直接影响运算结果。为了防止CD4501的内阻叠加在PR1阻值中参与运算，压随器的作用就是将参与运放计算的PR1与外部可能的阻抗隔开。此外，参与放大和偏置运算的电阻采用精密电阻，标识符前加“P”以示与普通电阻区别。

对数据采集模块采集的模拟信号，输入范围-10V～+10V的双极性电压，而装置设计的A/D转换芯片转换电压范围为0～5V，即需要进行电源极性转换。本实验台设计选用OPA2277精密放大器和外部电阻组合以及增加偏置电压来搭建信号调理电路来实现。

如图4所示，由运算放大器输入端“虚短”、“虚断”的性质，根据克希霍夫定律，输入电压Vi、输出电压Vo，参考电压Vref、运放正输入端电压V+、负输入端电压V-之间存在以下关系：

（3-1）

（3-2）

（3-3）

由上述关系式可以得到以下关系：

（3-4）

在本装置设计中选用R1=5K，R2=20K，R3=1K，R4=4K，Vref=2.5V带入3-4式有：

（3-5）

由式3-5可得，外部输入的-10V～ +10V范围的模拟型号可以由本实验台正常采样。调理电路的输出经过1.2k的限流电阻，送ADS7818进行模数转换，转换结果经SPI总线发送给CPU。

9.DO输出过程通道

在实验台中，其输出的开关量主要用于外部受控对象的运行投切、分合操作、升降操作等，进而达到对外部对象控制调节的目的，通过软件设置DO访问锁存器电路的状态来控制继电器的动作。由于继电器模块驱动需要24V电源，实验台5V主电源无法驱动继电器动作，本实验台设计了带达林顿驱动的光电耦合器进行信号隔离和线圈驱动。本实验台设计选用了DS2E-S-DC24V继电器，该继电器高灵敏度，击穿电压可达1500V。继电器输出模块电路设计如图12所示。

DO过程通道设计的关键点在于控制输出的安全可靠性，系统的误出口会导致受控对象出现安全事故。因此，在进行控制输出部分设计时要对开关量过程输出通道进行严格的安全设计，同时要按照工业过程控制远方操作规程，设计锁存器状态闭锁、返校检测闭锁等安全措施，防止设备受到干扰以后产生错误的控制输出，酿成事故。

图5 开关量输出电路图

为了防止某一个状态受干扰就直接出口造成误输出，输出继电器采用两级继电器串联，只有串联的两个继电器同时按规定动作，方能实现控制输出。

另外，锁存器电路在工作电源处于某一临界电压时（锁存器的工作电源不正常），锁存器工作状态紊乱也会造成出口继电器误动作的问题，采用双端口的逻辑控制电路可以比较有效地避免这种情况的误动作。如图3-12所示所示，为了防止电源波动过程中，锁存器工作状态不确定造成出口继电器的短时误动，每个遥控输出继电器驱动回路同时采用DRIVE和两个反向状态来信号来驱动（如：CLOSE和），只有在DRIVE处于高电平，处于低电平，出口继电器才能动作，利用这两个反向条件的相互制约，同时增加了一个出口限定条件，可以大大降低误出口的概率。

系统执行输出操作时，还需要返校检查继电器是否按控制信号正确动作，防止继电器损坏（如触电粘连）造成误出口。图12中，JD1的一对触点用于控制下面两个继电器的驱动电源，另一对触点用于返校检查继电器的工作状态。

第4篇：开关电源的设计与制作范文

关键词：PFC；软开关；大功率开关电源

引言

在进行电力电子装置的设计时，通过使系统具有较高的功率因素，可以使电网的谐波污染得到有效减少。而PFC技术和软开关技术的运用，则可以使系统开关损耗得以减少，以便进行系统的整体输出效率的提升。因此，有必要对基于PFC和软开关的大功率开关电源进行研究，以便更好的进行PFC技术和软开关技术的应用。

1 基于PFC和软开关的大功率开关电源的系统概述

从系统构成上来看，基于PFC和软开关的大功率开关电源应该由三个部分组成，即电源主电路、电源控制电路和机箱。其中，机箱既可以起到固定电源的作用，同时也可以起到一定的屏蔽作用。而电源主电路的设计，则主要需要负责进行电源功率的转换。而进行主电路的控制，则可以将市电转化成需要的电压或电流。此外，系统的控制电路需要为主电路提供控制脉冲，并为主电路提供保护功能。所以，系统的各个部分既具有相辅相成的关系，同时也是一个统一的整体。

在进行电源主电路设计时，电路包含电网滤波、整流桥和PFC电路等多个部分。在交流电流流入到主电路后，整流模块将使交流电变成直流电，并利用PFC电路将脉动的直流电变成平滑直流电。同时，PFC电路需要使网侧电流成为正弦波。在功率开关桥通过滤波将直流电转变成高频方波电压后，该电压将通过高频变压器传至变压器副边[1]。最后，高频方波电压整流滤波将通过整流滤波电路转变成直流电压或电流。

控制电路的设计，需要完成为主电路提供驱动脉冲的任务。作为整个电源系统的核心，控制电路需要进行系统装置的控制，并进行相应保护功能的实现。所以，控制电路应具有驱动电路、保护电路和辅助电源电路等多个电路。此外，在电源有特殊要求的情况下，还要进行特定功能电路的加装。

2 大功率开关电源的系统设计

2.1 PFC电路设计

在进行系统设计时，系统的二极管整流电路输入电流中含有大量谐波，无法满足电路的功率因素要求。所以，需要进行PFC电路的设计，以便进行功率因素校正技术的应用。而UC3854是一种有源功率因素校正专用控制电路，具有升压变换器校正功率因素需要的一系列控制功能。所以，在进行PFC电路设计时，可以采用UC3854作为电路的主要控制芯片。从电路组成上来看，PFC电路主要由两部分构成，即以UC3854为核心的控制电路和升压变换器主电路。其中，升压变换器电路由整流桥、升压电感、隔离二极管和滤波电容等结构组成。在电流持续状态下，输入与输出电压比将对脉冲占空比起到决定性的影响，以便使电路噪声降低至最小。

在进行主电路设计时，需要较好的完成对各个元器件的选择。一方面，升压电感对于电力特性、效率和作用有着重要的影响，所以需要恰当的进行电感器的选择。具体来讲，就是根据电网电压最低负载进行电感电流最大峰值的确定，并利用AP法进行电感材料的选择[2]。另一方面，在进行输出电容器选择时，需要考虑输出电压大小、电容允许通过电流值和串联电阻大小等多种因素。同时，还需要根据稳压电源要求进行电容容量的确定，以便确保电容具有足够的放电维持时间。

2.2 软开关变换器设计

在进行软开关变换器设计时，需要完成对主电路拓扑的选择，并进行变压器、开关元件、输出滤波电路和谐振电感等多方面内容的设计。首先，在进行主电路拓扑结构选择时，需要考虑变压器原边电路拓扑结构，并考虑其应用范围。根据设计要求，可以将DC/DC变换器的输出功率设定为3.8kw，并按照功率范围选择正激、半桥等电路。而由于DC/DC变换器的输入电压为PFC电路所提供，所以相对较为稳定，不需要考虑偏磁问题[3]。其次，在进行高频变压器设计时，需要考虑能量转换、电压变换等问题。作为变换器的核心元件，变压器的好坏直接影响着开关电源的可靠性。就目前来看，变压器的设计可以按照一定的步骤来进行。具体来讲，就是依次完成对变压器匝比、磁芯、绕组匝数、绕组导体截面面积和变压器分布参数的计算或分析。此外，在进行开关元件的选择时，需要考虑到开关速度和电路简洁性问题。

2.3 辅助电路设计

为了确保系统的正常运行，还要进行辅助电路的设计。而从结构上来看，辅助电路主要包含两部分，即辅助电源和保护电路。一方面，在进行辅助电源设计时，需要为PFC控制电路、移相全桥变换器控制电路等多个电路配备电源。而采用开关电源技术进行辅助电源的设计，则可以使辅助电源适应系统的电压变化和负载变化，以便为系统各电路提供直流稳压电源。此外，在进行辅助电源电路设计时，则可以采用外接元件较少的PWM集成控制器进行电路的控制，以便使电路得到一定程度的简化。另一方面，在进行保护电路的设计时，需要进行输入过压、输入欠压、输出过压保护和超温保护电路的设计，以便为系统电路提供更多的保护。而保护电路的设计与实现电路相类似，但是需要完成对电路故障的检测。在出现故障时，保护电路的检测信号电压将大于给定电压[4]。而保护电路将进行低电平的输出，并进行保护信号的输出，以便为系统电路提供保护。

3 结束语

总而言之，基于PFC和软开关的大功率开关电源应该由电源主电路、电源控制电路和机箱这三个部分组成。而为了使开关稳压电源具有较高的性能和较大的功率，则需要进行高功率因素的变换器电路和软开关变换电路的设计。此外，为了给电源提供一定的保护，还要进行辅助电路的设计。

参考文献

[1]文立群，肖强晖.基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源[J].湖南工业大学学报，2014，2（28）：52-55.

[2]黄冲冲.基于软开关技术直流开关电源的研究[D].西安科技大学，2012.

第5篇：开关电源的设计与制作范文

关键词：开关电源；IR2110；SG3525；高频变压器；MOSFET

1 绪论

电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。随着电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量增长，效率、体积、重量及可靠性等方面也要求更高。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。

2 系统整体方案

1.电源的设计要求：

（1）输出电压：额定工作电压36V；

（2）输出电流：额定工作电流1A；

（3）输入条件：50Hz，交流220V；

（4）纹波电压 Vor为20mV[8]。

2.整个课题的设计，分为三部分：主电路的设计，包括整流输入滤波、半桥式逆变、高频变压输出、输出整流、输出滤波；开关管的驱动电路；控制电路的设计，包括控制逆变电路开关管工作的脉冲输出、调占空比。

3 系统电路设计

3.1主电路结构

半桥式开关电源主电路如图3-1所示。图中开关管V1、V2选用MOSFET开关管。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管V1、V2组成，另一个桥臂由电容C1、C2组成。高频变压器初级一端接在C1、C2的中点，另一端接在V1、V2的公共连接端，V1、V2中点的电压等于整流后直流电压的一半，开关管V1、V2交替导通就在变压器的一次侧形成幅值为 的交流方波电压。通过调节开关管的占空比，就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo。

图3-1 开关电源主电路结构图

3.2 MOSFET驱动电路的设计

半桥驱动芯片选用IR2110。其中自举电容的选为104无极性瓷片电容。快恢复二极管选为FR207。

3.3 开关电源控制电路的设计

设计电路的控制电路是整个电路的主要部分。目前实际产品应用中有各种典型的控制电路，鉴于对电源和驱动的要求，结合本次设计选择SG3525。

1.自激振荡电路

SG3525的自激振荡器输出的锯齿波送至PWM比较器，而输出的方波一方面送到PWM锁存器，另一个方面有4脚输出作为其他芯片的同步信号，另外振荡器可由3脚送来的脉冲信号控制，便于多个芯片同步使用。此次设计，取Ct=0.01uf，Rt=9K，Rd=200Ω，则由公式f=1/[Ct（0.67 Rt+1.3 Rd）]得，f=16k。

2.脉冲宽度调节

由于11脚14脚输出低电平时间取决于9脚电压，而9脚电压又取决于误差放大器输出电压，故人为改变SG3525 1脚或2脚电位，即可改变9脚电压，9脚电压变低时，A1提前输出“1”，使11脚或14脚输出脉冲宽度变窄，而9脚电压上升时则与上相反，完成对输出脉宽的控制。由图可知，1脚电位与输出脉冲宽度成反比，而2脚电位则与输出脉冲宽度成正比.在开关稳压电源设计中，反馈电压可加于1脚或2脚。本次设计使用2脚加一个可调电阻调占空比。

3.SG3525电路图：

图3-2 SG3525电路图

4 电路调试

控制电路调试主要测量SG3525的 9脚的电压是否在1.5V 至5.2V之间，5脚波形是否为锯齿波，16脚电压有无5.1V。最重要的是11脚与14脚的输出波形是不是方波，是否有足够的死区时间，调2脚电压时11脚14脚输出方波的占空比是否变化等。

在测试驱动电路时主要测IR2110的10脚与12脚的输入波形是否与SG3525的输出波形相对应，IR2110的1脚7脚的输出波形是否是漂亮的方波，自举电容两端的波形是否在比较稳定的范围内。

在测试IR2110的输出时发现调占空比时IR2110的占空比0-100%可调。后来发现限流电阻和下拉电阻的取值问题导致波形畸变，从而导致IR2110的输出出现不良情况。通过多次更换限流电阻和下拉电阻，波形畸变得到了一定的改善，不过还是不能达到完全的线性传输。为了得到更好的驱动效果，从SG3525加一电阻接在IR2110的输入端，经实际测试IR2110的输出波形0-45%可调，满足驱动要求。

对于主电路的调试，一定要一步一步调，先用示波器测试整流滤波电路再测变压器原边的波形，变压器副边的波形，输出电压等。

5 总结

本次设计完成的主要任务是制作占空比可调，输出36V的开关电源。通过搜集开关电源的相关资料，了解电源的相关制作方法，并通过控制电路与驱动电路的选择，针对任务提出了可行方案。在设计方案中，结合芯片SG3525和IR2110特点，用半桥的结构来设计开关电源。根据设计方案，详细地阐述了SG3525的控制原理和IR2110的驱动过程。设计了相应的硬件电路。虽然做了以上几方面工作，但由于时间和实验条件的限制等原因，所做工作还有很多需要完善的地方。SG3525没有过流保护电路，控制电路与驱动电路之间没有光隔离，半桥主电路前的热敏电阻在上电完成后没有用继电器隔离开而影响效率等。

作者简介：

巴深（1992-），男，汉族，湖北武汉，本科在读，湖北省 武汉市 武汉纺织大学 电子信息工程 430200

第6篇：开关电源的设计与制作范文

[关键词]开关电源 ；PWM；UC3875；驱动电路

中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0257-01

0 引言

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渐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。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零[1]。所以其功耗小，效率可高达70%-95%。而功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。

1 开关电源的类型

按驱动方式分类有：（1）自激式开关电源其借助于变换器自身的正反馈控制信号，实现开关自持周期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用[2]。（2）他激式开关电源其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控制信号驱动开关管[3]。

按能量转换过程的类型分类有：（1）直流～直流（DC～DC）。（2）逆变器（DC～AC）。（3）开关整流器（AC～DC）。（4）交流～交流变频器（AC～AC）。

2 开关电源设计

在几种常用的变换电路中，因为半桥、全桥变换电路功率开关管承受的电压比推挽变换电路低一倍，由于市电电压较高，所以不选推挽变换电路。半桥变换电路与全桥变换电路在输出同样功率时，半桥变换电路的功率开关管承受二倍的工作电流，不易选管，输出功率较全桥小，所以采用全桥变换电路。

在设计制作的1.2kW（48V/25A）的软开关直流电源中，其主电路为全桥变换器结构，四只开关管均为MOSFET（1000V/24A），采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS，电路结构简图如图1。VT1～VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，以实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5～VD8构成的高频整流电路以及L1、C3、C4等滤波器件组成。

图1 1.2KW软开关直流电源电路结构简图

其基本工作原理如下：当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。

由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。

当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。

关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。

VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2，由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3、Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。

3 UC387构成的驱动电路设计

UC3875是美国Unitrode公司针对移相控制方案推出的PWM控制芯片，实用于全桥变换器中驱动四个开关管，四个输出均为图腾柱式结构，可以直接驱动MOSFET或经过驱动电路放大，驱动大功率MOSFET或IGBT。由于该期间设计巧妙，是一种应用前景较好的控制芯片。

本电源的主功率管选用的MOSFET，是电压型驱动方式，驱动功率要求比较小。采用脉冲变压器将功率管的驱动端和控制电路隔离。UC3875的驱动端具有2A的电流峰值，但为了提高电路的可靠性，防止UC3875因为功率太大而损坏，所以采用达林顿驱动的晶体管组成输出电路来驱动脉冲变压器的原边。超前桥臂的驱动电路如图2所示，之后桥臂的驱动电路也一样。

图中，D1、D2和D3、D4是肖特基二极管，用于防止驱动管的电压由于低于或高于电源电压而损坏。R21和R22是限流电阻，DW1、DW2和DW3、DW4是齐纳稳压管，用来限制脉冲变压器的输出电压，防止功率管损坏。T1和T3选中TIP122，T2、T4选用TIP127，T1？T4是达林顿驱动的晶体管，耐压为100V，持续电流为5A，峰值电流可达8A，其开启时间和关断时间分别为1.5μs和2.5μs，而开关电源的设计的频率为70KHZ，即14μs>1.5μs+2.5μs，满足设计要求。

图2 功率管驱动电路

除了输出电流限制外，本电源还设置有五个保护功能：输入过电压保护、输入过流保护、输出过压保护、输出过流保护、过热保护。五种保护都是通过一个或门UC3875的电流检测端C/S+（5脚），使其电压高于2.5V，导致UC3875关断输出。输入、输出电流分别取自串联在输入、输出回路中的分流器上的信号（0-75mV）。

4 结束语

本文介绍了由UC3875芯片作为控制电路的1.2KW移相控制全桥变换软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。大大减小了电源的体积。

参考文献

[1] 曲学基.稳定电源基本原理与工艺设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2] 李定宜.开关稳定电源设计与应用[M].中国电力出版社.2006.

[3] 杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].中国电力出版社.2007.

第7篇：开关电源的设计与制作范文

[关键词]发动机；供电设计；FADEC；优化；

中图分类号：V37 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0118-01

1 背景

FADEC安装于发动机机匣上。发动机停车后，发动机机匣上的热量逐步扩散到FADEC上。当前民用飞机发动机短舱通风冷却系统的冷却能力并不能在发动机停车后，迅速的将热量扩散出去。FADEC为电子部件，在发动机回热状态下，若长时间保持通电状态，将影响FADEC的使用寿命，提高航线运营维护成本。本文基于当前民用飞机发动机控制系统设计工程实践，同时为避免增加额外的硬件，降低设计风险、研制成本、缩短研制周期，基于当前民用飞机广泛采用的硬件方案，提出采用发动机燃油控制开关，发动机起动开关，航电装置，发动机接口装置，实现 FADEC供电设计方案优化，避免发动机停车后的回热效应对FADEC的损害，提高FADEC使用寿命，降低航空公司维护成本。

2 FADEC供电设计优化相关方案

在考虑FADEC供电设计优化中，曾提出如下FADEC供电设计优化方案：

在飞机驾驶舱顶部板专门设计发动机FADEC供电控制开关，每台发动机对应一个FADEC供电控制开关，用于在发动机停车后控制FADEC的供电。

FADEC上电开关是一个3位弹簧负载旋钮，分别标记为“ON”，“AUTO/OFF”和“MAINT”。其中，“ON”位是瞬时位；“AUTO/OFF”位是默认位置； “MAINT”位是保持位，用于维护时给FADEC上电。

在地面状态，飞行员把旋钮开关选到左边的“ON”位置，飞机给FADEC提供28V电源，FADEC供电若干分钟。用于进行发动机起动，干运转，湿运转等。“ON”位是弹簧装置开关，当飞行员当从“ON”松开旋钮时，开关将会自动回到中间位置。

在地面状态，当发动机停车若干分钟后，自动切断FADEC电源。

“MAINT”位置用来在维护状态下给FADEC供电。当维护人员选到“MAINT”给FADEC供电后，开关将保持在右侧位置。如在维护工作完成后切断FADEC的电源，需要手动的将开关选回中间位置。

上述FADEC上电开关方案解决了FADEC在发动机回热条件下导致的工作寿命问题，但同时带来了FADEC上电开关在安全性、开关位置、人为因素方面的问题。

a） FADEC供电时间终止会对发动机起动造成影响；

b） FADEC上电开关的维护功能布置在驾驶舱顶部板位置混淆飞机正常功能和维护功能；

c） 发动机起动前，使用FADEC上电开关增加了飞行员的负担。

为解决上述方案伴随的问题，最终提出如下FADEC供电设计优化方案。

3 FADEC供电设计优化方案

3.1 优化方案涉及的飞机硬件

优化方案涉及的飞机硬件包括发动机燃油控制开关，发动机起动开关，航电装置，发动机接口装置。

a） 每台发动机对应一个燃油控制开关。发动机燃油控制开关与FADEC交联，用于实现发动机供油控制。飞行员通过切断发动机燃油控制开关，执行发动机停车。

b） 每台发动机对应一个起动开关。发动机起动开关与FADEC交联，用于实现发动机起动功能。

c） 航电装置基于ARINC429或ARINC664等通信协议[1]，接收来自飞机其他系统的信号，并将发动机控制系统需要的信号发给FADEC实现发动机控制功能。

d） 发动机接口装置用于接收来自航电装置与发动机控制功能相关的输入信号，实现发动机相关控制功能。

3.2 方案描述

发动机燃油控制开关参与的FADEC供电功能如下：

a） 飞机着陆后，飞行员切断发动机燃油控制开关，发动机停车。发动机接口装置计时若干分钟后，自动断开FADEC与飞机电源间连接，实现FADEC断电。发动机接口装置计时时间可综合考虑飞机与发动机之间数据传输时间、日常地面维护等的要求灵活确定。

b）飞机在地面状态，打开发动机燃油控制开关，发动机接口装置自动接通FADEC与飞机电源间连接，FADEC保持上电。

发动机起动开关参与的FADEC供电功能如下：

在发动机地面起动前，飞行员将发动机起动开关拨到起动位，发动机接口装置自动接通FADEC与飞机电源间连接，FADEC保持上电。

若飞机处于空中状态，发动机接口装置自动接通FADEC与飞机电源连接，FADEC保持上电。

航电装置参与的FADEC供电功能如下：

a） 航电装置将收到的发动机燃油控制开关信号发送给发动机接口装置，用于发动机接口装置实现FADEC供电计时控制。

b） 航电装置将收到的发动机起动开关信号发送给发动机接口装置，用于发动机接口装置实现FADEC供电计时功能。

c） 航电装置将飞机轮载信号（飞机处于空中或地面状态）发送给发动机接口装置，用于实现空中或地面FADEC与飞机电源间供电控制功能。

发动机接口装置参与的FADEC供电功能如下：

通过航电装置接收发动机燃油控制开关，发动机起动开关，飞机轮载的状态，通过自动控制FADEC与飞机电源间的连接，实现FADEC供电的控制。

上述FADEC供电设计优化方案解决了在飞机驾驶舱专门增加FADEC供电控制开关带来的安全性、开关位置、人为因素[2]方面的问题。

a） 取消了飞机驾驶舱顶部板专门的FADEC上电开关和上电时间的限制，将用于发动机起动功能的FADEC上电功能集成在燃油控制开关，用于发动机地面干运转、湿运转的FADEC上电功能集成在发动机起动开关内，用于维护功能的FADEC上电开关置于发动机维护板，避免了在地面起动过程中由于计时结束而造成发动机起动失败的问题，解决了安全性问题；

b） 将FADEC维护上电功能从发动机控制面板移到发动机维护面板，避免功能混淆；

c） 取消了专门的FADEC上电开关，简化了机组操作程序，减轻飞行员的工作负担。

4 结论

本文基于民用飞机发动机控制系统设计实践，提出了FADEC供电设计优化方案，该发动机FADEC供电设计优化方案特点如下：

a） 该方案通过在发动机接口装置中更新软件实现，通过软件方案，可缩短研制周期，降低研制风险，研制成本，也为后续功能完善预留了接口。

b） 该方案将FADEC供电控制结合在飞机日常的操作程序中，具有良好的人机交换界面。

c） 该方案避免发动机停车后的回热效应对FADEC造成的损害，降低航空公司维护成本。

该方案已经成功应用于某型民用飞机发动机FADEC供电设计，同时该本文提出的供电设计优化方案也为其它处于回热条件下的电子部件设计提供了参考。

参考文献

[1] 刘冬冬，张天宏，陈建.开放式FADEC系统的数据总线研究[J].航空动力学报，2012，27（4）：920-928.

[2] 张晶，李映红，魏东.减少人为差错 保证飞行安全-基于人因工程学的飞行安全中的人为因素研究[J].科技信息，2010，（5），208.

第8篇：开关电源的设计与制作范文

关键词：轮式移动机器人 控制系统 设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-123-02

1 引言

轮式移动机器人是移动机器人的重要分支之一。由于其自身重量轻、承载能力大、驱动和控制相对方便、行走速度快等优点，被大量应用于空间探索、农业、工业、家用服务业等领域。因此，从现实应用和经济角度考虑，设计和开发一整套轮式移动机器人的控制系统是必要的。笔者设计和开发了基于STC89C52RC单片机的控制系统与躲避障碍物、自动寻迹等功能的相关软件。

2 系统结构

车体将采用三轮式结构，后两轮独立且分别由两个电机驱动，前轮是自由轮。这种结构的特点是车体结构组成简单、WMR旋转半径可以从零到无限大任意设定，转向灵活。

本系统所采用的STC89C52RC型单片机是宏晶科技推出的新一代、低功率、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。它的芯片上储存器大小为8K字节，可扩展至64K字节；板子上有三个16位的时间计数器、一个全双工的串口、一个用于控制的布尔处理器、看门狗；电压范围3.3到5.5V，最高工作频率可达48MHz。

在本系统控制系统中，控制器需要控制两个电机、超声波测距传感器、寻迹传感器、LCD显示器等多个器件。如所有任务由一个控制器完成，将会影响系统的处理与反应速度。因此本设计采用双52RC单片机控制，单片机U1用于驱动液晶屏LCD工作，单片机U2用于整个系统的控制，它们之间通过I/O口通讯，以实现两片单片机共同工作的相互协调控制。系统结构框图如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 控制器系统CPU U1设计

CPU U1的引脚排列如图2所示。其中P0.0～P0.7、P2.2～P2.7接12864LCD显示器；P1.0、P1.3、P1.5接时钟芯片D131302；P1.6、P1.7接EEPROM AT24C02；P2.0、P2.1接超声波模块；P3.0、P3.1是串口数据的接收与发送端口，P3.2、P3.3、P3.4接按键电路；P3.2～P3.7接两机通讯开关。

其余引脚：RST为复位脚；XTAL1、XTAL2接外部晶振；VCC为电源正极，接+5V电源；GND为电源负极，接地。

3.2 控制系统CPU2设计

CPU U2的引脚排列如图3所示。P0.0～P0.7为U2的八个传感器接口；P1.0～P1.7接八个流水灯；P2.0～P2.5接电源驱动芯片L298N，P2.7接蜂鸣器；P3.2、P3.3、P3.4为按键电路接口；P3.2～P3.7接两机通讯开关。

3.3 控制器电源供电模块设计

电源模块包括三个部分：电源供电选择、LCD和蓝牙串口电源开关、程序下载转换开关。电源是由两个3.6V干电池串联组成，接到电源插座的1、2、3端，其中1接负极，2、3接正极。电源插座的第1端口接地，第2端口接电机，第3端口接5V稳压芯片。电源模块电路图如图4所示。

电源供电选择：5V稳压芯片接到电源供电选择开关上，开关打上去，选择电源供电；开关打下去，USB供电。

LCD和蓝牙串口电源开关：拨码器的第1端口接5V稳压芯片，第2端口接LCD，第3接口接编程按钮，第4端口接稳压芯片和电源插座的第3端口。

程序下载转换开关：开关1打上去，蓝牙与单片机进行通讯；打下去，USB与单片机进行通讯。

3.4 电机驱动模块设计

本设计轮式移动机器人的驱动件主要包括电机、编码器、驱动芯片，采用PWM进行调速与控制。根据脉冲编码器的反馈信号，对移动机器人的运动状态进行实时控制。电机驱动电路如图5所示。

电机驱动芯片选择L298N。L298N是步进电机专用的控制器，它能产生4相控制信号，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。

4 系统软件设计

本系统软件设计采用C语言和汇编相结合的方式，在C语言中调用各个功能模块。首先用汇编语言把系统的各个功能模块编出，然后把这些编译过来的模块加入到控制器的使用库中，采用C语言编写主程序，调用各功能模块，完成对硬件的操作。本系统分为两大功能模块：避障模块、自动寻迹模块。流程图见图6、图7。

5 结语

本设计采用双51单片机控制，使得轮式移动机器人控制结构简单、反应较快、成本较低，抗干扰能力强，经实验论证可以满足设计初衷，同时也为将来进一步开发和研究轮式移动机器人奠定下良好的理论基础。

参考文献：

第9篇：开关电源的设计与制作范文

【关键词】X射线机；高频高压；设计

随着我国医疗事业的不断发展，医疗设备精度更加高，医用X射电诊断仪器是应用较早的一种设备，技术比较成熟，在高频高压的研究方面，国外的研究比较先进，本文主要研究X射线机高频高压发生器的设计。

1.高频高压发生器理论基础

X射线本身属于电磁波，产生需要具备阴极电子源、阳极靶和高压电场。高压高频发生器用于X射线球管提供稳定高压电流，相当于一个开关电源，工作过程与常见的开关电源类似，不同的是输出电压高、功率大。目前常见的中高频发生器都是通过调节交流电压的频率来输出电压的大小，常见的控制方式包括脉冲频率调制、脉冲宽度调制和混合调制三种。

脉冲宽度调制中，方波电压的有效值受到占空比控制，输出电压的大小可以通过改变占空比实现。在空载情况下，输出电压为最高值，若是存在负载，滤波电容不断充放电，实现平衡，这种方法一般使用在灯丝电压的控制中。脉冲频率调节控制通过调节变压器初级线圈回路电压的信号周期改变输出电压，一般使用在管电压的调节电路中。混合调制就是将以上两种方式结合在一起改变输电压。

2.X射线机高频高压发生器设计

高频高压发生器的主要功能是为X射线管提供电压和电源，因此在设计中需要采用反馈设计，还需要设计故障报警功能，保障人机安全，操作方便，体积小，便于控制成本。

2.1电源模块的设计

设计的电源模块为电网电源管理逆变桥，逆变桥系统工作低压电源。此设计模块需要能够满足对系统电源电压分配控制，在开机中能够起到预充电的作用，在工作异常的情况下能够实现设备与电网的切断，提高安全性。因此在此设计中采用了预充电检测电路和一键开关机电路设计，能够先给发生器提供低压电源保证电路的正常运行，预充电检测电压线先保证高压电源的预充电，在对其他电源充电，能够避免产生浪涌电流。

在设计中整个高频高压发生器需要提供低压直流电源，虽然电源的电压都不是很高，但是数量非常大。因此在本设计中所涉及的电源模块要求比较高，需要购买技术比较成熟的开关模块，部分对电源要求较低的电源可自行设计，再利用电源芯片实现所需电压的输出。逆变桥的电源模块需要设定为直流电，通过逆变转变为高频交流电。

2.2控制模块与逆变电路模块的设计

控制模块的设计是关键的部分，核心采用微型处理器设计，实现系统的智能化控制。微处理器自身想要正常工作，需要提供电源以及时钟信号等，逻辑信号就是微处理器的输入信号，微处理器判断逻辑信号，发出指令，执行模块执行。

逆变电路模块常见的方式包括全桥逆变和半桥逆变，在此设计中，采用的是全桥逆变的方式，逆变全桥各桥壁上的开关管在驱动时序下轮流导通和断开，逆变桥的工作频率可以通过调整驱动脉冲的周期实现，在此设计中驱动程序中插入了死区时间。由于逆变电路在驱动信号的时序中要求非常严格，逆变电路属于低压信号，因此在本方案的设计中，设计了性能更强的驱动电路，能够把驱动信号转换为双极性的驱动信号，保证相位，实现高低压的隔离。

2.3高频高压变压器与多倍压整流滤波的设计

高频高压变压器是核心部件之一，也是设计中的技术难点问题，经过逆变器输出的电压是交流电，但是电压幅值太低，因此需要经过电压升压变化，因此变压器的损耗以及耐压条件需要格外的注意。高频高压变压器的结构与常见的变压器基本一样，但是并没有现成的样品，因此需要根据高频交流电压等进行自行设计并调整参数。此处设计的高频变压器需要确定变压器初级、次级线圈的参数，变压器绕组的参数主要包括寄生参数和线圈匝数，需要先选择一个工作频率，工作频率范围要能够保证不会产生太大的损耗，依照线圈电流的大小以及窗口面积等确定线圈导线的直径，选定为漆包铜线，在设计中需要做好保护措施。

经过高频高压变压器升压后，电压值满足要求，但是X射线管需要的电源是直流电源，因此还需要进行整流和滤波，采用多倍压整流滤波的放大法，也能降低变压器的耐压指标，达到平衡系统设计的目的。由于X射线管提供的电压值很高，很多元件的承压能力要求很好，因此在设计中需要采用技术来降低元件所承受的电压，在此设计中采用了倍压整流滤波技术，降低变压器次级的输出电压，也能减小整流二极管和滤波电容的耐压要求。

2.4灯丝电路的设计

灯丝电源是产生X射线的条件，作用是产生丰富的电子源，在有电流的情况下，形成自由电子，在高压电场的作用下产生高速的电子流。灯丝电路的设计采用了脉冲宽度调制控制方式。

灯丝单位时间内所产生的自由电子与管电流基本相等，灯丝产生的热量与散热达到平衡就能保证灯丝的温度恒定，获得稳定的自由电子，平衡状态由X射线管电流的大小决定，在采样中，将管电流的大小反馈给控制电路，形成闭合环路，比较设定值和反馈值，确定管电流值。控制电路还需要灯丝电流的反馈信号，在设计中需要先让灯丝电流达到设定值。

2.5高压采样反馈电路的设计

在X线成像中，需要X射线是单能，为了获取稳定的管电压，就要求高压发生器随着工作条件自行调整参数。为降低滤波电容的耐压要求，在光电采样的过程中，分别采样阴阳极的电压，在经过运算后反馈给控制电路。

结束语：

综上所述，本文主要研究X射线机高频高压发生器的设计，高频高压发生器是一种复杂的系统架构，当前的研究成果有很多，在本设计中还需要继续研究变压器以及电路等的完善，这些还需要更多的人努力去研究。

参考文献：

[1]陈波. 高频高压X射线发生器系统的研究[D].重庆理工大学，2012.