开题报告-水晶闪电球电源的设计

北方工业大学 本科毕业设计（论文）开题报告书题 目： 水晶闪电球电源的设计 指导教师： 专业班级： 电气11-1班 学 号： 姓 名： 日 期： 2015年3月19日 一、 选题的目的、意义闪电球，又叫等离子球，是一种新型的灯饰工艺品。其外观为高强度玻璃球壳，球内充有稀薄的惰性气体，玻璃球中央电极。球的底部有一块震荡电路板，通过电源变换器，将低压直流电转变为高压高频电压加在电极上。球内稀薄气体受到高频电场的电离作用而光芒四射。由于电极上电压很高，故所发生的光是一些辐射状的辉光，而当用手触及球时，球周围的电场、电势分布不再均匀对称，因此光线在手指的周围处变得更为明亮，产生的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲。在闪电球中，最为核心的部分就是其高压电源部分。高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用，尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的高压直流电源采用线性电源技术的较多，其产生高电压输出的过程通常是，从工频交流电源得到交流供电，然后经过高压隔离升压变压器升压，得到高电压交流，再通过整流滤波最终输出直流高电压。它有半波整流，桥式整流、全波整流、倍压整流、多相整流等多重接线方式，其中，半波整流电路的电路最简单，缺点是所需的设备、元件耐压要求高，体积重量大，多作为高压测试试验设备在实验室的室内环境中使用。相比于半波整流电路，桥式和全波整流电路，虽然输出电压纹波小一些，但是体积和重量方面是相当的。如果高压电源要求功率容量大的同时输出高电压纹波小的话，就要用到多相交流整流滤波技术实现。随着新技术的进步，新器件的涌现以及控制智能化的实践等，电力电子技术不断大步向前发展。开关电源现在已经普遍地应用到高压电源的研制中。根据开关电源技术的原理，使用功率开关器件能够产生数十KHZ甚至更高频率的脉冲方波或正弦波，使选用更小体积重量的高压隔离变压器、高压电容和高压整流二极管等成为可能，这样高压电源就可以使在很大程度上抛弃原有庞大的体积重量的限制。图1：开关电源原理框图如图1，输入交流电源经整流滤波单元后，转换成直流电；之后通过半桥、全桥等各种形式的逆变电路构成的逆变单元来产生得到高频方波脉冲；然后，高频方波脉冲进入高频隔离升压变压器一次升压，以及倍压整流单元整流后二次升压，将直流电压升高到输出高压指标范围；通过反馈单元高压分压采样，或者高压隔离采样，将输出的高压反馈信号送到高压电源的控制检测单元；由高压电源的控制检测单元处理反馈信号，调整开关管驱动信号脉冲的频率或脉宽，改变在逆变单元内功率开关管导通的频率或时间，实现输出电压幅度的调节。高压电源自从采用开关电源技术以来，就具备了开关电源与生俱来的很多优点，比如，小型化效果好、控制性能较高、输出纹波较低、容易设置快速保护等。随着微电子集成技术的发展，在高压开关电源控制领域中，数字控制方式超越了模拟控制方式，成为了热门的研究方向。数字化高压电源能够直接检测电源的运行状态，对工作环境和性能指标的离散性有很好的适应力，在同一硬件平台下可以通过软件灵活地改变控制算法、增删控制和保护功能，使上位的发射机控制单元的检测通信等需求得到满足。另外，数字化高压电源还可以通过软件设置自动诊断、输出量在线调整、故障告警管理等功能，提升高压电源的自动化和智能化程度，提高电源系统的可维护性及可靠性。对比模拟控制方式的特点，数字控制技术的优势在在于：可以实现模拟控制难以实现的先进复杂的控制方法；有效改善模拟器件老化和温漂引起的控制性能劣化，提高系统可靠性；控制算法由软件编程实现，避免模拟器件参数离散性所引起的控制特性不一致；控制方法及参数的软件修改简便周期短成本低；能使控制与监测集成在一起，适应对电源系统不断提高的智能化需求；在软件编制方面通过更新控制算法、提高开关调节频率和数据采样精度，还可以更加优化控制性能，以满足系统多样性的需求。随着现代技术的不断发展,设备对高压电源性能和功能的要求正在变得越来越严苛。新的高压电源核心控制器除了调节电压和电流等功率上的指标之外,其多样化功能上的要求也必须得到满足,比如,控制功能编程实现、输出量在线调节、加电顺序控制、自动诊断、实时监测、多功能保护措施以及与上位机的有效通信等。而本次毕业设计，就是研究有关数字化高压电源的设计制作方式，在能满足功能指标的前提下，加入通信，显示功能，使得数字高压电源满足实时监测，远程控制等现代化要求。二、本题的基本内容开关电源中,通常逆变器有以下几种:单端正激、单端反激、推挽、半桥、全桥等。其各种电路优缺点比较如表1：表1：常见逆变电路优缺点分析电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单,成本低，可靠性高，驱动简单变压器单向激磁，利用率低百瓦-千瓦各种中小功率电源反激电路简单,成本很低，可靠性高，驱动简单变压器单向激磁，利用率低数十瓦小功率电子设备，计算机设备，消费电子设备电源全桥变压器双向激磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的驱动电路百瓦-千瓦大功率工业用电源，焊接电源，电解电源半桥变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，开关较小，成本低有直通问题，可靠性低，需要隔离驱动电路百瓦-千瓦各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向激磁，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题百瓦-千瓦低输入电压的电源因此，根据功率等级，选用反激电路作为拓扑电路进行设计。在水晶闪电球中，水晶球本身相当于一个大电容，如果使用纯直流供电，一次充电完成后，就无法输出了，所以必须选用高压脉冲直流电源进行供电，使得水晶球能够反复充放电，持续工作，从而电离球内的气体，产生辉光。在电路设计方面，也存在模拟与数字两种方案，相对于模拟方案，数字电源能够更好地进行算法设计，后期调整，同时还有着模拟方案无法达到的通信功能，能更好地满足现代电力电子行业对电源的新要求。结合以上三点，本方案采用反激电路为主电路的数字开关电源方案。其设计框图如图2：图2：水晶球电源原理框图220V的市电经过变压器一级降压之后整流，再次降压，滤波得到12V直流电压，分别供给主电路与控制电路。控制电路的电压经直流降压芯片L1117降为3.3V，供给单片机及各模块。运行时，由单片机产生PWM波形，通过驱动模块产生适当的驱动信号控制MOSFET开断，使之逆变为高频脉冲电压，之后经高压变压及二极管滤波之后，产生了高频脉冲高压直流电。在这整个过程中单片机会实时采集反激电路的电流，高压电路的电流，电压，形成闭环控制。在驱动模块与反激电路中也设有硬关断装置，一旦过载，迅速切断输入信号，防止因CPU死机产生事故。在其他外设方面，设有通讯模块，使之能与上位机通信，上位机上的软件会根据收到的数据实时显示运行状态，并绘制出运行状态曲线。同时，也可以通过上位机进行数据设置，改变输出电压与工作模式。显示模块方面，使用TFT液晶进行显示，也会实时输出运行状态波形，方便观察。输入模块可以对电源进行设置，包括输出电压，频率，运行模式，是否接受上位机命令等。音量传感器作为水晶球电源的特定功能加入，配合周围音量的大小，改变其开通与关断状态，使水晶球达到随着音乐闪动的效果。三、完成期限和主要措施1-2 周 查阅资料，写开题报告。3 周 完善、提交开题报告，并开题。 4-7 周 提出设计方案，画出PCB版，搭建硬件系统。 8-12 周 软件调试，完成基本功能，进行精确性测试。13-14 周 完善交互界面，进行稳定性测试。15-17 周 最后调试，总结，写毕业论文，毕业答辩。四、预期达到的目标设计基本要求：1，掌握电力电子基本电路，设计闪电球高压电源的电路，并采用Altium Designer软件绘制电路原理图和PCB；2，掌握高频高压变压器的计算方法，完成高频高压变压器的制作；3，采用C语言对单片机编程产生PWM波驱动MOSFET完成输出高压电压的控制，并能够实时显示相关参数及故障信息。设计达成目标1，输出一定范围内可调的高频脉冲直流高压电；2，带有TFT显示模块，可显示当前主要参数；3，带有触控模块，可以本地修改参数，并输出；4，带有通信功能，可与上位机通信，实时监测，并由上位机进行设置；5，带有声控功能，闪电球可随音乐节奏变化；五、主要参考文献1王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，20092谢卫.电力电子与交流传动系统仿真.北京:机械工业出版社，20093陈坚.电力电子学电力电子变换和控制技术.北京：高等教育出版社，20024黄俊，王兆安.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，20005林渭勋.现代电力电子技术.北京：机械工业出版社，20066尹克宁.电力工程.北京：中国电力出版社，20087杨旭等编著.开关电源技术M. 机械工业出版社, 20048(日)原田耕介主编,耿文学译.开关电源手册M. 机械工业出版社, 20049滕旭,胡志昂编著.电子系统抗干扰实用技术M. 国防工业出版社, 200410周志敏等编著.单片开关电源M. 电子工业出版社, 200411张占松,蔡宣三编著.开关电源的原理与设计M. 电子工业出版社, 200412王蓉. 高频高压开关电源的设计D.南昌大学,2008.13廖谷然. 72KV/1.0A静电除尘用高频高压电源的设计与实现D.太原理工大学,2013. 14宫传. 一种高频高压电源的研制D.大连理工大学,2008. 15李福亮. 油雾电除尘用高频高压电源的设计D.河北科技大学,2010. 16罗黎艳. 模块化高频高压电源的研究D.华中科技大学,2012. 17夏冰. LCC谐振变换器在大功率高输出电压场合的应用研究D.南京航空航天大学,2008. 六、指导教师意见（包括毕业实习） 指导教师签字： 年 月 日七、系审查意见 系主任签章： 年 月 日 八、学院审查意见 院长签章： 年 月 日