毕业设计高压电源的设计

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1、摘要 高压电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用，尤其在军事、医疗、射线类探测器和静电喷涂等技术领域。传统的高压电源多采用线性技术，这种结构形式造成电源变换效率低，体积大，重量沉，操作维修不方便。随着电源技术的发展，人们对高压电源的转换效率和带负载能力提出了更高的要求。开关电源相对于线性电源有体积小，重量轻，效率高的优点，已经成为电源行业的主流形式。本论文设计研究了一种以单片机和脉宽调制（PWM）技术为基础的高压开关电源。该电源由飞思卡尔MC9S12XS128单片机产生和控制PWM波形，采用全桥变换，经高频变压器升压，输出1000V电压。该电源采用数字调节，模数电路相互结合，具有输出电压高，纹

2、波小，输出功率较高等优点。关键词：开关电源 桥式变换器 高频变压器 单片机Abstract High-voltage power supply is applied broadly in daily life and production, especially used in military, medical, class-ray detector and electrostatic spraying. Traditional high-voltage power supply mainly adopt technology of linear power supply such type

3、 of structure makes the whole Efficiency of power supply below, large, heavy and operation and maintenance which is not convenient.With the development of power technology, people have a higher demand on the conversion efficiency of the the high-voltage power and load capacity.Switching power supply

4、 have the advantages of small size, light weight, high efficiency relative to the linear power.,it have become a mainstream form of the Power industry.This paper studies a single-chip design and pulse width modulation (PWM) technology-based high-voltage switching power supply.PWM waveform of the the

5、 power supply was generated and controlled by by Freescale MC9S12XS128 microcontroller，using full bridge,the high-frequency step-up transformer,1000V output voltage.The power supply with digital adjustment,modulus combined circuit,it has the advantage of a high output voltage, ripple, the higher pow

6、er output and so on.Keywords: Switching power supply Bridge converter High-frequency transformer Microcontroller目录摘要1Abstract2第1章 绪论51.1 课题研究的背景51.2 研究的目的及意义51.2.1课题研究的目的51.2.2课题研究的意义51.3 高频开关电源的发展情况61.3.1开关电源的发展情况61.3.2高频开关电源的主要新技术标志61.4 隔离式高频开关电源简介8第2章 高频开关电源的总体设计102.1 主电路的选择102.2 控制电路的选择102.3 电流工

7、作模式的方案选择102.3.1电流连续模式分析102.3.2电流断续模式分析102.4 综合结构电路图11第3章 开关电源输入电路设计123.1 整流技术123.1.1 交流输入整流滤波电路原理123.2整流电路133.3输入尖峰电压保护13第4章 开关电源主电路设计144.1 全桥变换器电路的工作原理144.2 开关晶体管的设计154.2.1器件介绍154.2.2.功率MOSFET的结构和工作原理154.2.3.功率MOSFET的主要特点164.2.4MOSFET的导通特性164.3 高频变压器的设计184.3.1磁芯材料和结构184.3.2绕阻计算184.3.3绕阻的绕制19第5章 开关电

8、源控制电路设计205.1基本原理205.2器件简介205.3脉冲宽度调制模块225.4 A/D模块245.5软件设计部分概述255.5.1 程序设计方法255.5.2 软件设计步骤255.6单片机系统设计时应注意的问题26第6章辅助电路的设计276.1辅助电源的设计276.2MOSFET驱动电路276.2.1器件介绍276.2.2电路结构分析286.3输出滤波电路的选择29第7章 展望与总结30致谢31参考文献32第1章 绪论1.1 课题研究的背景开关电源已有几十年的发展历史。1955年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；1957年发明的自激推挽式双变压器，1

9、964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。1977年脉宽调制（PWM）控制器集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。与此同时，开关电源的频率也从最初的20KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点： 小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。 提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间。 随着频率提高，开关电源的噪声

10、随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。 提高电源装置和系统的电磁兼容性(EMC)。 用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。1.2 研究的目的及意义1.2.1课题研究的目的随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高

11、自身的能力。1.2.2课题研究的意义课题研究的意义在于：当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。1.3 高频开关电源的发展情况1.3.1开关电源的发展情况目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代

12、末和80年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发

13、展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。1.3.2高频开关电源的主要新技术标志新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和EMI滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。 新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命

14、性的。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。目前。总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向，因此高频开关电源的发展很具研究意义！在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位。在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。经过20余

15、年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。现在，我国已形成一批上亿元甚至10亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。这是我国开关电源技术不断成熟的表现。从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志如下所述：（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源工作频率可以达到400KHz(AC-DC)和1MHz(DC-DC)的水平。超快恢复功率极管，MOSFET同步整流技术的开发也使高效低电压输出(例如3V)开关电源的研制有了可能。现在正在探索研制耐高温的高

16、性能炭化硅功率半导体器件。（2）软开关技术使高频率开关变换器的实现有了可能PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更大了(功率与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术。小功率软开关电源效率可以提高到80-85%。70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础，以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振(80年代中)，全桥ZVS-PWM 、恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM (80年代末)、ZVS-PWM有源钳位

17、；ZVT-PWM/ZVCT-PWM(90年代初)；全桥移相ZV-ZCS-PWM(90年代中)等，我国己将最新软开关技术应用于6KW通信电源中，效率达93%。（3）控制技术研究的进展例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。（4）有源功率因数校正技术(APFC)开发，提高了AC-DC开关电源功率因数由于输入端有整流电容组件，AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备(如逆变器，UPS)等的电网侧功率因数仅为0.65。80年代用APFC技术后可以提高到0.95-0.99。既治理了

18、电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。（5）磁性组件新型材料和新型变压器的开发，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型(Low profile)变压器。新型变压器如压电式，无磁心印制电路(PCB)变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。（6）新型电容器和EMI滤波器技木的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。（7）微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。90年代末又提出了新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的远景。如用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级(Single Switch Single Stag

19、e)或4S高功率因数AC-DC开关变换器；输出1V, 50A的低电压大电流DC-DC变换器，又称电压调节模块VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求。1.4 隔离式高频开关电源简介隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。开关电源的基本功能方框如图1.1所示。图1.1 隔离式

20、开关电源的方框图在图1.1中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的首先要经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功率开关组件，比如开关晶体管、场效应管(MOSFET)等组件，高频变换部分产生高频(20kHz以上)高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(FWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电

21、压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例(占空比)，达到调整输出电压的目的，在方波的上升沿和下降沿。有很多高次谐波，如果这些高次TB波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此，在交流输入端必须要设置无线频率干扰(RFI)滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。第2章 高频开关电源的总体设计2.1 主电路的选择开关电源的电路组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输

22、入输出隔离的方式由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，但是却很安全，为了提高开关电源的安全性，所以此设计选择隔离方式。考虑输出电压等级和功率选择全桥式电路来实现。2.2 控制电路的选择根据论文题目要求，本设计是采用单片机控制的，单片机控制产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。采用的单片机型号为飞思卡尔MC9S12XS128。2.3 电流工作模式的方案选择2.3.1电流连续模式分析电流连续模式。电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的

23、电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。这种模式的设计要考虑电感的储能时间，不容易控制，所发实现起来是很复杂的。2.3.2电流断续模式分析电流断续模式。断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。但是这种模式工作设计不复杂。鉴于上面分析，本设计采用电流断续模式。图2.1综合结构电路图2

24、.4 综合结构电路图工频交流AC 220V 经过EMI滤波后进行不控整流得到直流电压VDC,再进过电容的平波稳压之后送给H桥进行斩波。通过高频PWM信号来控制H桥对直流电压VDC 斩波，通过隔直电容输入到高频变压器的原边，完成升压。高频升压之后经过高频整流二极管进行整流，之后经LC滤波送负载。输出端通过采样电阻把输出电压送到电压电子显示器实时显示。第3章 开关电源输入电路设计3.1 整流技术3.1.1 交流输入整流滤波电路原理在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要

25、适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90 130V和180260V的范围。图3.1 输入滤波、整流电路原理输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对 C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。3.2整流电路本设计采用四个二极管进行不控整流，再由滤波器滤波得到直流电。3.3输入尖峰电压保护在一般情

26、况下，交流电网上的电压为220v左右，但有时也会有高压的尖峰出现。比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达5kv。另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式： （3-1）式3-1中L是电感器的漏感，I是通过线圈的电流。由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏，所以必须要采取措施加以避免 。用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻(MOV)瞬态电压抑制器。当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖峰电压使

27、输入电压达到安全值。瞬间的能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按下述步骤进行。（1）选择压敏电阻的电压额定值，应该比最大的电路电压稳定值大10-20；（2）计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦尔数；（3）查明器件所需要承受的最大尖峰电流。上述几步完成后，就可以根据压敏电阻参数资料选择合适的压敏电阻器件。第4章 开关电源主电路设计4.1 全桥变换器电路的工作原理全桥变换器电路如图4.1：图4.1全桥电路工作原理图 换器初级承受相当于半桥变换器变压器初级两倍的输入电压，所以其匝数为半桥的两倍。但当输出功率和输入直流电压相同时，全桥变换器初级电流峰值和有效值只有半桥电压型全桥逆变电路的原理

28、如图4-1，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和桥臂4作为一对，桥臂2和桥臂3作为另一对，组成的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180。桥式变换器的特点：桥式变换器由四个功率晶体管组成，相对于半桥而言，功率晶体管及驱动装置个数要增加一倍，成本较高，但可用在要求功率较大的场合。全桥的优点：主变压器只需要一个原边绕组，通过正反向的电压得到正反向的磁通，副边有一个中心抽头绕组用于整流输出，因此变压器铁芯和绕组最佳利用，使功率,功率密度得到提高。另一个优点是:功率开关在非常安全的情况下运作，在一般情况下最大的反向电压不会超过电源电压，四个能量恢复二极管能消除一部分有漏感产生的瞬时

29、电压。这样无需设置能量恢复绕组反激能量便得到恢复利用。全桥变换器初级施加的是幅值为Vdc的方波电压，是半桥变换器的2倍，但其晶体管承受的关断电压却与半桥变换器相同，等于最大输入直流电压。所以在晶体管承受相同的峰值电流和电压的条件下，全桥变换器输出功率是半桥变换器的两倍。当然，由于全桥变的一半。所以相同功率下，两种变换器的变压器大小是一样的。但若使用较大体积的变压器，全桥变换器可在相同晶体管电流电压额定下得到两倍于半桥的功率输出。4.2 开关晶体管的设计4.2.1器件介绍 本设计整流环节采用二极管实现不控整流在逆变环节为了实现输出达到高频采用电力MOSFET，MOSFET的原意是：MOS（Met

30、al Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor-SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频

31、率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 4.2.2.功率MOSFET的结构和工作原理 功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。 1.功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图4.2所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件

32、，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET, 大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。（a）内部结构断面示意图 （b）电气图形符号图4.2功率MOSFET的结构和电气图形符号2.功率MOSFET的工作原理 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面 。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成

33、N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。4.2.3.功率MOSFET的主要特点 功率MOSFET的主要特点有以下几点:1，输入阻抗高，可达 106 以上； 2，工作频率范围宽，开关速度快 ( 开关时间为几十纳秒到几百秒 )开关损耗小； 3，有较优良的线性区，并且 MOSFET 的输入电容比双极型的输入电容 小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小。 4，功率 MOSFET 可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。5，MOSFET 是电压控制型器件 因此在驱动大电流时无需推动级，电路 较简单。 4.2.4MOSFET的导通特性功率MOSFET和双极型晶体管

34、不同，它的栅极电容比较大，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值电压（VGS-TH）时MOSFET才开始导通。因此，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电。功率MOSFET以其导通电阻低和负载电流大的突出优点，已经成为SMPS控制器中开关组件的最佳选择，专用MOSFET驱动器的出现又为优化SMPS控制器带来了契机。那些与SMPS控制器集成在一起的驱动器只适用于电路简单、输出电流小的产品；而那些用分立的有源或无源器件搭成的驱动电路既不能满足对高性能的要求，也无法获得专用单片式驱动器件的成本优势。专用驱动器的脉冲上升延时、下降延时和传播延

35、迟都很短暂，电路种类也非常齐全，可以满足各类产品的设计需要。在计算栅极驱动电流时，最常犯的一个错误就是将MOSFET的输入电容（CISS）和CEI混为一谈，于是会使用下面这个公式去计算峰值栅极电流。I = C(dv/dt) （4-1）实际上，CEI的值比CISS高很多，必须要根据MOSFET生产商提供的栅极电荷（QG）指标计算。QG是MOSFET栅极电容的一部分，计算公式如下：QG = QGS + QGD + QOD （4-2）QG-总的栅极电荷QGS-栅极-源极电荷QGD-栅极-漏极电荷（Miller）QOD-Miller电容充满后的过充电荷典型的MOSFET曲线如图4.3所示，很多MOSF

36、ET厂商都提供这种曲线。可以看到，为了保证MOSFET导通，用来对CGS充电的VGS要比额定值高一些，而且CGS也要比VTH高。栅极电荷除以VGS等于CEI，栅极电荷除以导通时间等于所需的驱动电流（在规定的时间内导通）。图4.3 典型的MOSFET曲线用公式表示如下： QG = (CEI)(VGS) （4-3）IG = QG/t （4-4）其中：QG 总栅极电荷，定义同上。CEI 等效栅极电容VGS 栅-源极间电压IG 使MOSFET在规定时间内导通所需栅极驱动电流 4.3 高频变压器的设计高频变压器是高压开关电源的核心部件之一，由于高压电源的变压器工作时的频率较高，它要求磁芯材料在频率下功率

37、损耗尽可能小；此外，还要求饱和磁通密度高；随着工作温度的升高，饱和磁通密度的降低尽量小等等。4.3.1磁芯材料和结构 根据电源对变压器的要求，大部分高压电源主要采用铁氧体磁芯材料。用铁氧体磁芯材料结构选择的因素有下列几个方面： 1、漏磁要小，以便能获得小的绕阻漏感。 2 、便于绕制，引出线及整个变压器的安装方便，这样有利于生产维护，有利于散热。3、铁氧体磁芯材料的结构形式如环形、U 形、E 形、EI 形、EE 形以及E形带有圆柱形中心柱和外腿带有螺钉固定位置等大功率铁氧体磁芯。环形磁芯的漏磁小，但绕阻的绕制，尤其是副边大电流绕阻的绕制以及引出线和整个变压器的固定均较麻烦，磁芯的散热也不好，而U

38、 形磁芯的漏磁较大，E 形磁芯具有圆柱形中心柱的结构，绕阻的绕制更普通电力变压器的绕阻绕制一样方便，而且在整个绕阻高度耦合良好从而减小了漏感。4.3.2绕阻计算 高频变压器原副边绕阻计算包括按输入输出电压确定匝数，根据功率确定导线截面以及校核空载励磁电流等。 1绕组匝数计算 对于进行方波转换的高频变压器，其基本设计公式为式（4-5)： （4-5）式中N1为变压器原边绕组匝数（T）V1为施加在该绕组上的压幅值，这里即为输入整流滤波电压（V）B为工作磁通密度（GS）,Se 为磁芯有效面积,f为高频变压器电工作频率（Hz）或者用导通脉冲宽度来计算，如式（4-6）所示： （4-6） 其中tON为半周期

39、内导通脉冲宽度（us ）。2、校核励磁电流 原边绕组电感量L1可按式（4-7）求得： (4-7)其中0为真空导磁率,0=410-9H/cmr为磁芯材料的相对导磁率，它不是常数，铁氧体的数值约为800-5000，一般可取1500Se为磁芯有效截面积le为平均磁路长度励磁电流的计算公式为式（4-8）： （4-8）其中V1 单位为伏（V ），tON为秒，L1用亨（H ）。式中求出的励磁电流Iu是时间t=tON时、即半个周期内脉冲终了时励磁电流的幅值，不宜太大，一般在额定工作电流的10% 以下。4.3.3绕阻的绕制 高频变压器绕制时需要特别注意分布参数给予的影响，它的绕组匝数不多，同时对波形的要求也不

40、严格，因而，由绕组本身的的分布电容引起问题相应之下不是主要的。如前所述，漏感将会引起关断电压尖峰，虽然可以用RC吸收网络加以抑制，但最根本的办法还是在选择磁芯和绕阻绕制时尽可能的减小漏感。为了得到低漏感，磁芯和绕组的形状应选择设计成径向厚度较小的长绕组，采用高导磁率、杂散场小的磁芯。但是磁芯形状的选择还需在易于绕制绕组、减小漏感、便于散热以及体积等方面折衷考虑。无论何种磁芯形状都应使原副边绕组尽可能的紧密耦合，这样才能减小漏感。第5章 开关电源控制电路设计5.1基本原理以飞思卡尔MC9S12XS128为核心组成了电源系统的控制电路，它对控制电路各环节的工作进行整合，而且需要对电压、电流、脉宽等

41、数据进行处理和计算。这些任务包括： 1 、系统初始化：各个模块的初始化，给重复控制器设定起始运行参数，各误差项的清零，设置软件定时中断。 2、实时采样输出的电压值，通过函数的运算得到运算量。 3、根据实时的电流电压等值，经过运算更新显示值。 4、PID控制算法得到的控制量，得到相应的控制PWM脉宽输出。 5、如果有故障发生，立即启动软件程序进行保护。 上面说明了系统软件需要完成的任务，这些任务对于单片机来数无疑是很大的，而电源的控制对控制速度要求是很高的，系统的控制量的变化是很快的，这就要求系统的采样周期应该尽可能短，以便对被控制量进行及时的控制。因此在设计和编制系统软件时，应该对各个软件的模

42、块结构和相互间的时序进行有效配合，以满足系统的实时性的要求。5.2器件简介器件引脚图如下图5.1端口整合模块端口 A，B和K为通用I/O接口端口 E 整合了IRQ，XIRQ中断输入端口 T 整合了1个定时模块端口 S 整合了2个SCI模块和1个SPI模块端口 M 整合了1个MSCAN端口 P 整合了 PWM 模块，同时可用作外部中断源输入端口 H 和 J 为通用I/O接口，同时可用作外部中断源输入端口 AD 整合了1个16位通道ATD模块大部分I/O引脚可由相应的寄存器位来配置选择数据方向、驱动能力，使能上拉或下拉式装置。当用作通用IO口时，所有的端口都有数据寄存器和数据方向寄存器。对于端口T

43、, S, M, P, H, 和 J 有基于每个针脚的上拉和下拉控制寄存器。对于端口 AD 有基于每个针脚的上拉寄存器。对于端口A、B、E 和 K，有一个基于端口的上拉控制寄存器。对于端口T, S, M, P, H, J, 和 AD，有基于每个针脚的降额输出驱动控制寄存器。对于端口A, B, E, 和 K， 有一个基于端口的降额输出驱动控制寄存器。对于端口S、M，有漏极开路（线或）控制寄存器。对于端口P、H 和 J， 有基于每个针脚的中断标志寄存器。纯通用IO端口共计有41个，分别是：PA7:0PB7:0PE6:5PE3:2PK7,5:0PM7:6PH7:0 (带中断输入)PJ7:6 (带中断输

44、入)PJ1:0 (带中断输入)5.3脉冲宽度调制模块XS128具有8位8通道的PWM，相邻的两个通道可以级联组成16位的通道。PWME：PWM通道使能寄存器。PWMEx=1将立即使能该通道PWM波形输出。若两个通道级联组成一个16位通道，则低位通道（通道数大的）的使能寄存器成为该级联通道的使能寄存器，高位通道（通道数小的）的使能寄存器和高位的波形输出是无效的。PWMPOL：PWM极性寄存器。PPOLx=1，则该通道的周期初始输出为高电平，达到占空比后变为低电平；相反，若PPOLx=0，则初始输出为低电平，达到占空比后变为高电平。PWMCLK：PWM时钟源选择寄存器。0、1、4、5通道，PCLK

45、x=0使用Clock A，PCLKx=1使用Clock SA；2、3、6、7通道，PCLKx=0使用Clock B，PCLKx=1使用Clock SB。PWMPRCLK：PWM预分频时钟源选择寄存器。控制Clock A、Clock B的值。PWMCAE：PWM中心对齐使能寄存器。CAEx=1，该通道为中心对齐；CAEx=0，该通道为左对齐。PWMCTL：PWM控制寄存器。CONxx=1，则相应的两个通道级联使用，否则单独使用。级联后，整个级联通道由低位通道（通道数大的）的各个寄存器控制，高位通道（通道数小的）不起作用。级联模式下，向高位通道或低位通道计数器寄存器写值，等同于向16位级联计数器寄

46、存器写值，也即重置为0。PWMSCLA：PWM标度A寄存器。用于控制Clock SA的值，Clock SA = Clock A / (2 * PWMSCLA)，当PWMSCLA=0x00时，相当于PWMSCLA=256。PWMSCLB：PWM标度B寄存器。用于控制Clock SB的值，Clock SB = Clock A / (2 * PWMSCLB)，当PWMSCLB=0x00时，相当于PWMSCLB=256。PWMCNTx：PWM通道计数寄存器。每个通道都有一个独立的8位计数器，其计数速率由所选择的时钟源决定。计数器的值可以随时读取而不影响计数器运行，也不影响PWM波形输出。在左对齐模式时

47、，计数器从0计数至周期寄存器的值减1；在中心对齐模式，计数器从0计数至周期寄存器的值，然后再倒计数至0。向计数器写入任何值都将导致计数器复位至0、计数方向重置为向上。在有效周期末，计数器同样会被清零。只有当通道使能时计数器才进行计数。改变计数器的值应该在该通道禁止时进行。若某个通道正在执行PWM功能，使用PWMEx=0禁止该通道，则该通道的计数器将“冻结”，下次使能该通道时，计数器将接着上次停止的地方继续计数，而不是重新从0开始。若要开始一个新的PWM脉冲波形，则应在使能前写一次计数器。PWMPERx：PWM通道周期寄存器。每个通道都有一个独立的8位周期寄存器，它的值将间接决定该通道的PWM波

48、形周期。该寄存器采用双缓冲器设计，即写入的新值不立即生效，直到本次有效周期结束或者计数器寄存器清零或者该通道被禁止。读该寄存器将返回最近一次写入的值（不一定是当前生效的值）。复位将重置值为0xFF。PWMDTYx：PWM占空寄存器。每个通道都有一个独立的8位占空寄存器，它的值将间接决定该通道的PWM波形占空比。该寄存器采用双缓冲器设计，即写入的新值不立即生效，直到本次有效周期结束或者计数器寄存器清零或者该通道被禁止。读该寄存器将返回最近一次写入的值（不一定是当前生效的值）。复位将重置值为0xFF。5.4 A/D模块MC9S12XS128 MCU的16位A/D转换模块引脚为AN15/PAD15-

49、AN0/PAD0,每个引脚都可以实现模拟量（ANx）/数字量（PADx）的复用。为了与外部信号同步进行A/D转换，A/D模块具有4个外部触发转换通道ETRIG3-ETRIG0，可以选定触发的方式。MC9S12XS128的A/D转换模块由27个寄存器，包括6个A/D控制寄存器，2个A/D状态寄存器，一个A/D比较使能寄存器，一个A/D输入使能寄存器，一个A/D比较方式寄存器，16个A/D转换结果寄存器。通过这些寄存器的编程，就可以获取A/D转换数据。A/D模块的基本编程方法，A/D转换编程主要涉及6个控制寄存（ATDCTL0-ATDCTL5），状态寄存器0（ATDSTAT0），数据存储器（ATD

50、DR0）。1，A/D转换初始化在程序初始化时应对A/D转换的5个控制寄存器（ATDCTL0-ATDCTL4）写入控制字节，决定序列长度，设置分频系数和转换精度等，ATD0CTL4=0b; /设置采样时间和频率，fATDCLK=fBUS/（2*（PRS+1）ATD0CTL3=0b；/采样结果右对齐，每个序列的转换个数为1ATD0CTL2=0b00001111；/外部触发时选择通道15ATD0CTL1=0b01001111；/12位精度，采样前不卸载内部采样电容ATD0CTL0=0b01000010；/下降沿触发，不接受外部信号，禁用A/D比较中断请求2，启动A/D转换对A/D转换状态和控制寄存器

51、ATDCTL5写入控制字节，选取要转换的通道寄存器和结果寄存器的调整方式，设置是连续转换还是一次转换，由此就开始了一条A/D转换。ATDCTL5=channel;/channel为设置的数，可以根据此决定控制方式3获得A/D转换结果若是中断方式，在A/D中断程序中取得，若是查询方式通过A/D转换状态寄存器0（ATDSTAT0）的第七位（SCF位）取得，当SCF=1时可从A/D数据寄存器中取得数据。/取A/D转换结果for(;)/判断ATDSTAT0的第七位是否为1if(ATD0STAT0&(17)!=0) temp=ATD0DR0;/从A/D数据寄存器0种读12位数据break;return

52、temp;5.5软件设计部分概述程序设计语言的选择考虑到所要实现的功能较多，虽然汇编语言产生的目标程序简短，占用存储空间较小，实时性强，C语言编程会占用较大的存储空间，而且C语言的实时性较差，但是C语言编程比较简单。本次设计利用C语言作为主程序，分别调用了AD转换子程序，PWM子程序，编码器中断子程序，串口中断子程序，数码管LED显示子程序。5.5.1 程序设计方法（1）结构化程序设计：是给程序施加一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序。结构化程序设计规定任何程序序列必须由直线顺序结构，条件结构，循环结构基本形式组成。但它只考虑操作的顺序而不考虑数据因此不适合数据处理。（2）自顶向下的

53、程序设计：这种设计方法是先从系统一级的管理程序开始设计，从属的程序或子程序用一些程序符号来代替。当系统一级的程序编写后，在将各个标志扩展成从属程序或子程序，最后完成整个系统程序。（3）模块化程序设计：模块实质就是具有一定功能，相对独立的程序段。模块能够独立地完成一定功能，能独立设计、查错、调试、修改与维护。模块化程序设计是把整个系统按照一定规则划分成若干个模块，并且对划分的模块可进一步详细划分，直到最下层的每个模块能相对独立且容易编程为止。本次设计就是采用了模块化的程序设计思想，基于这种思想，缩短了程序开发的周期。5.5.2 软件设计步骤（1）系统定义：就是清楚地列出系统的各个部分与软件设计有

54、关的特点，并进行定义，以作为软件设计的依据，系统定义是对系统任务的描述。（2）程序设计：程序设计是制定程序的纲要，也就是将系统定义的问题用程序的方式进行描述、绘制流程图，结构化程序设计、模块化程序设计和自顶向下设计等，都是此步骤的有效方法。（3）文件编制：文件编制是用流程图、注释、存储器分配说明等方法来描述程序来形成文件，以便用户和操作人员了解。文件编制的好坏，直接影响到程序的使用、维护和扩充。（4）维护和再设计：当软件投入现场运行时，一方面可能会发生各种现场问题，因而需要进一步对系统软件进行改造和完善；另一方面，用户往往会由于环境或技术条件的变化，提出比原计划更多的要求，因而需要对原系统软件

55、进行改进和扩充，然后再重新固化，以适应情况变化的要求。5.6单片机系统设计时应注意的问题 在设计电源的时候要充分考虑控制系统的抗干扰性，由于数字系统防干扰的能力较弱，所以在设计电源时要充分减少电源对控制端的影响。 切断干扰途径要注意以下几个问题：1 、充分考虑电源对单片机的影响，电源做得好个路的抗干扰就解决了一半，许多单片机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减少电源，噪声对单片机的干扰。 2、注意晶振布线，晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。 3、电路板合理分区，尽可能把干扰源与单片机远离。 4 、地线把数字与模拟区隔离，数字地与模拟地要分

56、离，最后接于电源地，A/D，D/A 芯片布线也以此为原则。 5 、单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减少相互干扰，大功率器件可能放在电路边缘。第6章辅助电路的设计6.1辅助电源的设计本设计中要用到的各个直流电压等级分别为5V（用于单片机供电），12V（用于散热风扇供电），15V（用于驱动MOSFET）。考虑采用工频降压，经过整流桥后再分别由7805，7812，7815稳压芯片得到DC5V，DC12V，DC15V。电路图如下所示，图6.1 辅助电源6.2MOSFET驱动电路 MOSFET由于开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点已成为开关电源最常用的功率开关器件之一。而驱动电路的好坏直接影

57、响开关电源工作的可靠性及性能指标。一个好的MOSFET驱动电路的要求是： （1）开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡; （2）开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定使可靠导通; （3）关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断; （4）关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通; （5）另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离。综合以上情况，采用TLP250来驱动MOSFET。6.2.

58、1器件介绍TLP250内部结构结构图及管脚定义如图6.2图6.2 TLP250内部结构TLP250驱动主要具备以下特征： 输入阈值电流IF=5mA(max)；电源电流ICC=11mA(max)；电源电压(VCC)=1035V；输出电流IO=0.5A(min)；开关时间tpLH/tpHL=0.5s(max)。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。TLP250专用集成功率驱动模块包含一个GaA1As光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于功率MOSFET栅极驱动电路。6.2.2电路结构分析 驱动

59、电路结构如下图所示图6.3 MOSFET驱动电路驱动系统的整体结构如图6.3，PWM控制信号经过TLP250光耦，放大、整形之后驱动功率MOSFET(IRF840)。由辅助电源提供的15V直流电供电。6.3输出滤波电路的选择由于开关频率较高，所以采用型滤波器进行滤波，如图6.4所示是LC型滤波器可见只是将RC型滤波器中德R用电感L做了替换。由于电感具有阻交流通直流的作用，因此在增加了电感滤波基础上，此种电路的滤波效果更好，而且L上无直流功率损耗，所以一般在负载电流较大和电源频率较高的场合。图6.4 型滤波电路第7章 展望与总结本设计以功能需求为指导，以技术理论为支持，结合实际需求设计实现了高压

60、电源的研发，主要完成了以下几个方面的工作：1.概括和分析了开关电源的几种主电路结构及其优缺点。根据我们目前的试验要求选择了全桥式作为我们电源的主电路结构。2. 介绍了单片机在电源中德控制作用并给出具体电路。3. 完成了系统硬件的选型，电路原理的设计。采用单片机实现了高压电源的实时控制。使得系统结构简化，可靠性大大提高；设计了保护电路、采样电路等。保证系统安全稳定运行。4. 编写了高压电源的数字控制程序。为提高高压开关电源的性能，在设计过程中可在以下几个方面进行进一步的改进和优化：1. 本设计的电源效率与先进的软开关尚有很大差距。2. 变压器设计不是很合理，长时间工作温度较高，需另配风扇散热。3

61、.在已有控制方式的基础上，考虑采用其它智能控制方式复合控制，各取其长，得到更完善的系统性能。致谢感谢赵老师在学习、科研方面给予了耐心的指导，在生活等其它方面给予了亲切的关怀。赵老师的学识、严谨的治学态度，不断创新的科学精神，使我敬佩不已;将科学研究与工程实践紧密结合的工作方法使我受益匪浅，我所取得的收获中凝结着他的心血，在此谨向找老师致以衷心的感谢!感谢和我一起上大学的同学们，室友们对我的照顾！谢谢他们与我同甘共苦走过四年的大学生岁月。感谢我的父母 ，是他们在我背后默默的支持着我，没有他们，就没有今天的我！最后我想向老师、父母、同学说一声：谢谢你们的支持，你们辛苦了！参考文献1张赞松，蔡宣三.高频开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社；2刘胜利，严仰光 .现代高频开关电源实用技术.电子工业出版社，2001.3侯振义.直流开关电源技术及应用.北京：电子工业出版社,2006.44华伟，周文定.现代电力电子器件及其应用.北京：北方交通大学出版社、清华大学出版社,2002.178-1345王创社，乐开端，谭玉山，开关电源两种控制