|
（1）將220V50Hz交流市電轉換輸出從0到30V的可調直流穩定電源。 （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開關電源的電路組成[3] 可調開關電源的主要電路組成方框圖如下： 
圖2.1 系統組成框圖電路 2.2.1 電磁干擾濾波器（EMI）[4] (1)設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 當輸入正弦波時，T=0~Pi為正，二極管D1與二極管D3導通，二極管D2與二極管D4截止，負載得到半個正波；同理T=Pi~2Pi時負載又得到半個正波；所以負載電阻得到的是合成同向單向脈動電壓。 ②、負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 負載電壓波形 輸出的平均電壓為： 
流過負載的平均電流為： 
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與負載并聯，以穩定電壓； 電感器L通直流，阻交流。將電感L與負載串聯，以起到穩定電流的作用。 濾波電路后，保留了直流分量，濾除交流成分，提高直流比例，降低紋波系數電路，提高了輸出直流電壓的質量。 2.3方案的選擇 系統模塊方案如下： （1）主電路模塊：選用橋式變壓器開關電源 （2）主電路開關模塊：選擇使用功率開關MOSFET. (3)控制電路：脈沖調制選擇UC3843電源集成控制器。 3系統的設計和實現
3.1主電源電路和輔助電源電路設計開關電源整個系統的電路圖如下： 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D9整流橋整流。經過電解電容C23濾波后變成直流電，降壓后給C32充電，當C32的電壓達到UC3843的啟動電壓時，UC3843開始工作，并提供驅動脈沖，由引腳6驅動功率開關管工作。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穩壓管限定UC3843的收入電壓，否則將出現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，穩定電路是電路正常工作的基礎。電路因輸出不穩定和外在因素影響，時常會有短路、過壓、欠壓等現象發生。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壓源TL431。先利用TL431可調式精密穩壓器構成誤差電壓放大器。再經過億光光電耦合器對輸出進行精準的調整。 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。可在電源輸入端增加一個電容C20來解決。 （2）、高頻噪聲的產生主要有2種：一種是功率管器件在開關的過程中產生的；另一種是開關電源進行高頻斬波產生的。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是三端可調分流基準源。該芯片具有體積小，參考電壓精度可調，具有輸出電流大等優點，可用于生產各種穩壓裝置。 由圖3.3可看出，VI是一個內部2.5V基準源，連接到反相輸入運算放大器。由運放特性可知，只有當參考端的電壓很接近VI時。穩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 在開關電源設計，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，從而控制脈寬調制控制器的開關時間來得到一個穩定的直流輸出電壓。 3.2.2 LM7805用三端穩壓集成電路LM7805構成穩壓電源，只需要很少的外圍元件，電路，內部電路和過熱保護和調節流量管，使用方便可靠，起來，而且價格便宜。本設計中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，是一種集結紅外發射與接收及信號處理于一起的器件。輸入端輸入信號使發光LED發光；接收端收到LED發射的光信號，再通過信號處理將光信號轉換為電信號，然后輸出。從而實現了電轉換光，光在轉換為電的傳輸，光信號為傳輸介質。EL817實現了讓輸入和輸出電絕緣，也被稱為電氣隔離。 
圖3.5 EL817內部框圖 3.2.4 場效應管MOSFET本實驗中運用的是N溝道增強型MOSFET,參數最大耐壓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200kHz以上。使用MOSFET后可以進一步減小設計的體積和減輕設計的重量。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。當開關器件使用功率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 預定初級側電壓 預設效率  ，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 初次級匝數比 初級匝數 其中，磁感應強度B =0．25 T；由于該轉換器在k = 0.5（不連續模式k = 1）的連續工作模式的設計 磁芯氣隙 36V，次級匝數 輔助電源T1變壓器 預定初級側電壓 預設效率 ，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 設最大占空比0.45
初級電流 初級最大電感量 初次級匝數比 初級匝數 其中，磁感應強度B =0．28 T；因為該轉換器在k = 1（連續模式k = 0.5）的不連續模式的設計 磁芯氣隙 15V--次級匝數 輔助繞組匝數 其中，  是輔助繞組電壓，16V. 在一定電壓電流范圍內電阻值隨著電壓變化而發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添加到它的閾值以上的“UN”，流過它的小電流，相當于一個封閉的閥，當電壓超過UN，流過它的電流上升，相當于閥開。可以執行這一功能來抑制電路中經常出現的異常過電壓。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組成電壓控制環路。U2（431）是一種精密電壓調節器，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絡控制側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組成電流控制環路。R1是輸出電流取樣電阻，輸出電流在R23上產生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絡控制側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。經過驗證可以實現高精度的恒壓恒流。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變換器應用而設計。使設計方案使用最少的外部元件而節約成本。UC3843具有良好的調諧振蕩器，可以進行溫度補償的參考，精確的占空比控制，高增益誤差放大器。UC3843有驅動功率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，脈沖寬度調制器使用此信息來停止輸出開關。 | | | 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節。工作頻率可達500KHz。 | | | | | | 該輸出直接驅動功率MOSFET，輸出正負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將數字信號轉換為模擬信號。一般與控制芯片和電路相連。本設計中用于顯示電路。 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。隨著電子技術的發展使電子設備的功能越來越多。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。剩下來的部份為網絡線，這些線被稱為導體（導線）或布線。導線提供PCB部件連接。 電路板制作基本流程：1繪制原理圖；2繪制非標準器件的封裝庫；3選定PCB設計環境；4零件布局；5放置覆銅區；6做DRC檢測。 PCB設計規則：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、焊盤大小：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其它設置為默認值。 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，高頻變壓器異常發熱，電源芯片異常發熱，增加負載時輸出電壓迅速降低。 原因是高頻變壓器發生了磁飽和。 解決方案1適當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。 原因：數模轉換和實際電壓值之間的關系倍數設置不準。 解決：軟件里修改數模轉換和實際電壓值之間的關系倍數。
本設計通過設計實現了將220V50Hz交流市電轉換輸出從0到30V的可調直流穩定電源。輸出的最大電流：3A。通過由按鍵按下每次0.1v控制調節電壓增減。數值可以通過液晶顯示LCD屏顯示輸出電壓。
本設計大電流輸出可調開關電源由主電源電路、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設計，結構簡單，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調節輸出電壓。
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