可程控开关电源的研制

论文摘要

程控电源是一种智能化电源,它能根据不同环境的需要为其他设备提供合乎规格的能源,不仅广泛应用于自动测试系统中,而且可以作为一种通用的动力源,在工业生产和实验研究等领域中起着重要的作用。尽管目前市场上的程控电源种类不少,且其调节范围、控制精度等性能指标亦有多种选择,但由于其与上位机接口多为GPIB或RS-232接口,交流输入电压范围固定,并且体积很大,价格昂贵,因此很难为实际用户组建小型自动测试系统所接受。针对这些问题,本文研制了一种基于USB接口控制的宽范围输入电压的程控开关电源。本文首先提出了程控电源的总体设计方案,接着使用单片开关电源芯片TOPSwitch设计出了宽范围电压输入的小功率反激式开关电源,对开关电源中的核心功率转换部件——高频变压器进行了详细分析设计;其次,使用状态空间平均法推导了反激式开关电源功率级主电路的低频小信号模型,并分析了开关电源反馈环路的传递函数,进而对整个开关电源系统进行了系统建模并对其稳定性进行了分析;再次,以设计出的开关电源作为初级电源,使用改变反馈环路反馈量大小的控制策略,在理论上实现了电源输出电压幅值的线性调节;最后,以集成了USB功能控制器的Soc片上系统C8051F320作为控制电路的核心控制器,设计了程控电源的硬件控制电路,并使用C51语言编写了单片机的固件程序以及使用Visual Basic语言开发了程控电源上位机应用软件程序。通过对研制的小功率程控电源进行实验及测试,结果表明,其主要性能指标,如电压调整范围、电压调整精度、负载调整率、输出电压纹波等均达到了设计要求。本文研制的基于USB接口的程控电源已应用于实际项目中,实践表明,与常见的GPIB及RS-232接口的程控电源相比,其易用性和易操作性大大加强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 程控电源的技术现状
• 1.3.2 程控电源的应用概况
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 程控电源总体及其初级电源设计
• 2.1 程控电源总体设计
• 2.2 反激式变换器工作原理
• 2.3 初级电源硬件电路设计
• 2.3.1 初级电源功率级主电路设计
• 2.3.2 初级电源反馈控制环路设计
• 2.4 高频变压器设计
• 2.5 小结
• 第3章 初级电源小信号分析及其稳定性
• 3.1 初级电源功率级主电路交流小信号模型的建立
• 3.2 初级电源反馈控制环路建模分析
• 3.2.1 采样电路、TL431 和光耦的建模分析
• 3.2.2 TOPSwitch 及外部阻容的建模分析
• 3.3 初级电源系统建模及稳定性分析
• 3.4 小结
• 第4章 程控电源USB 控制电路和软件系统的开发
• 4.1 控制策略
• 4.2 程控功能设计方案
• 4.3 控制电路硬件设计
• 4.4 固件程序设计
• 4.4.1 固件程序开发概述
• USB_Main .c'>4.4.2 主程序F32x_USB_Main .c
• USB_ISR .c'>4.4.3 中断服务程序F32x_USB_ISR .c
• USB_Runtask .c'>4.4.4 功能程序F32x_USB_Runtask .c
• 4.5 上位机软件开发
• 4.5.1 USB 通讯功能的实现
• 4.5.2 上位机程序界面
• 4.6 小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 程控电源功能测试
• 5.1.1 电源调整率
• 5.1.2 负载调整率
• 5.1.3 电源效率
• 5.1.4 输出纹波和噪音
• 5.2 程控电源程控功能测试
• 5.2.1 输出电压调整范围
• 5.2.2 编程分辨率
• 5.3 关键点波形
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢