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基于Boost变换器的开关电源设计与仿真

内容摘要

开关电源广泛应用在电子产品领域，Boost变换器作为其中一类，受到了广泛的应用。本文主要是以Boost变换器为主电路拓扑，实现输出稳定电压的目的，本文主要对目前的电力电子电路研究情况、背景等进行了详细的阐述。以Boost电路为代表，详细介绍了其相应的应用场合和工作原理，给出了相应的稳态和动态数学模型和相应的闭环控制设计方法。并以STC12C5A60S2单片机为主控制芯片，其对控制系统进行了电路设计，对驱动电路做出了改进。后来对系统做了仿真测试，验证了设计的准确性。

关键词：单片机，开关电源，Boost

1绪论

1.1课题的背景及意义

自19世纪末第二次电气革命以后，伴随着计算机信息技术和电子技术的飞速发展，电力电子产品与人们的生活关系息息相关。所有电子类产品或工作电路也都需要稳定的工作电源，电源的质量也会直接影响电子设备的工作性能。从小型简单易携带电器到大型繁琐工业工厂机器设备，都会涉及到电力电子技术，它是由电子器件按照某种功能构成各种电力变换电路并对进行控制变换电路的技术。而开关电源技术的核心DC-DC变换器是电力电子技术的一个分支，现在DC-DC变换器已发展成为轻型高效的开关直流电源。近年来，伴随着对高频率开关变换技术的应用，开关变换器的建模方法和控制受到全球专家学者的普遍重视。DC-DC开关变换器是具有高阶、非线性、时变等特性的闭环控制系统，于其本身的离散型及结构易变的特性，导致经典的控制理论分析和设计不能保证被控系统所有静态工作点的全局稳定性，这样会给开关调压系统的动静态分析和策略设计带来一定的麻烦。在电力电子领域DC-DC变换器的建模和控制在理论方面几乎完整，在工程实际操作方面也取得重要进展[1]。

Boost开关变换器在升压过程出现负载大小突变、输入电压的突升或骤降、外界高频干扰等情况下，控制系统能快速稳定的做出可行性调节。当控制器控制电路升压过程时，需要注意静态精度和动态性能指标，这两类指标与Boost电路设计以及控制策略相关。控制器的响应速度快慢与电路设计的时间常数大小会同时工作在升压过程中。当前大多数的DC-DC变换器的控制策略采用的是PI控制器的无误差调节，这种调节方式对于系统的数学模型的精确度要求较低，只需要根据控制变量的误差，通过控制器调节来调节信号的占空比输入，实现对输出电压的有效控制即可，因而实现起来十分简单。并且得到了广泛的实际应用。

除此之外，随着对控制策略的不断发展，单回路控制系统有4个基本环节组成，即1被控对象或者被控过程，2测量变送装置，3控制器，4控制阀。也是一个简单的PID控制。对现阶段大多所采用的PID控制方法进行了有效的改进，随着新能源开发中的电力电子技术、绿色照明中的电力电子技术、汽车工业中的电力电子技术，电力系统中的电力电子技术等设备等领域中得到了广泛的应用，全控化电力电子技术打破了之前电力电子器件的使用功能限制，还大大降低电路关断后的危险，从根源上保证了电力系统的安全使用。现代电力电子技术的高频斩波等都充分展现了其数字化的特征，就连弱电领域也进一步开拓了电力电子技术的发展空间，提高了集成化发展程度。

1.2国内外研发状况与发展方向

1.2.1国内外开关电源的研发现状

20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个电源开关以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的不断发展，逐渐向集成化方向发展，区域小型化和模块化。继承开关电源沿2个方向发展，第一个发展方向就是对开关电源的控制电路实现集成化。随着计算机技术的不断深入创新和发展，基于计算机核心技术思维模式的电子类产品，已经逐步作为人类社会生活的密不可分的重要组成部分，较为典型代表就是以单片机控制为核心的相应的控制产品，如开关电源产品、电机控制产品等.国内外对于Boost电路的研究和使用有很多。由于Boost电路输入侧有一个大电感，所以带有输入侧或其前级电源系统输出侧的稳流特性。这一特性被常常被用在功率因数矫正（PowerFactorCorrect，PFC）场合。例如光伏并网逆变器中常用的两种拓扑结构。光伏并网逆变器的两级式结构的前级为Boost电路，后级为单相全桥、半桥等桥式逆变器。Boost输入侧的电感可以达到降低光伏电池输出电流脉动的作用。Boost电路的存在也能使系统工作在光伏电池输出电压变化范围比较宽的情况，比单级式光伏逆变器而言增强了实用性。而且Boost电路“阻断”了光伏电池和逆变器的直接连接，所以光伏电池只会受到Boost电路开关频率附近的干扰，而不存在后级对前级低频50/60Hz的电压脉动影响，这样也就减小了光伏电池输出侧的电容的纹波应