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DC-DC 开关电源设计

日期:2016-07-30 12:52:38 来源:未知 点击

DC-DC 开关电源设计

 

[摘要]:随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。

电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBTMOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。

本文介绍了一款基于PWM技术的AC-DC开关稳压电源,PSPICE仿真,输出纹波小,电压稳定可靠.

1                                                                                                                         前言

1.1      课题背景

开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30~40%。因此,用工作频率为20 kHzPWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。 随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此,对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外,还要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。

1.1.1  开关电源的三个重要发展阶段

40多年来,开关电源经历了三个重要发展阶段。

第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPTSCRGT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FETIGBTIGCT),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。

第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

 

1.2      开关电源技术的亮点

1.2.1  功率半导体器件性能

1998年,Infineon公司推出冷MOS管,它采用超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET。工作电压600~800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快的特点,是一种有发展前途的高频功率半导体器件。

IGBT刚出现时,电压、电流额定值只有600V25A。很长一段时间内,耐压水平限于1200~1700V,经过长时间的探索研究和改进,现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V1200A4500V1800A,高压IGBT单片耐压已达到6500V,一般IGBT的工作频率上限为20~40kHz,基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT,可工作于150kHz(硬开关)300kHz(软开关)

IGBT的技术进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同,IGBT20年的发展进程中,有以下几种类型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型。

碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的理想材料,其优点是禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。

可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

1.2.2  开关电源功率密度

提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标。这对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有以下几种。

一是高频化。为了实现电源高功率密度,必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。

二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的电压-振动变换和振动-电压变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一。

三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量,须设法改进电容器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。

1.3      ORCAD-PSPICE仿真软件简介

随着电子计算机技术的发展,计算机辅助设计已经逐渐进入电子设计的领域。模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟,甚至是印制电路板、集成电路版图等等都开始采用计算机辅助工具来加快设计效率,提高设计成功率。而大规模集成电路的发展,使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求,所以采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。同时,微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具。

在电路设计工作方面,最初使用的是Protel公司DOS版本的Tango软件,在当时这一软件被看作是多么的先进,因为在这以前没有人能像电脑那样快速、准确的画出电路图,制出电路板。如今,随着Windows95/98NT操作系统的出现,一些更方便、快捷的电路设计软件应运而生。如:TangoProtelOrCADPSpICeEleCTRonics WorkbenchVeriBestPAD2000等。

1.3.1  PSPICE的发展史

PSpICe是较早出现的EDA(EleCTRonic Design Automatic,电路设计自动化)软件之一,也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一,19841月由美国Microsim公司首次推出。它是由Spice发展而来的面向PC机的通用电路模拟分析软件。Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克利分校开发的电路仿真程序,它在众多的计算机辅助设计工具软件中,是精度最高、最受欢迎的软件工具。随后,版本不断更新,功能不断完善。基于DOS操作系统的PSpice5.0以下版本自80年代以来在我国得到广泛应用。目前广泛使用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年开发的基于Windows环境的仿真程序,并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与Microsim公司正式合并,自此Microsim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中,成为OrCAD/PSpice。但PSpice仍然单独销售和使用,推出的最新版本为PSpice 9.1

PSpICe软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能,以图形方式输入,自动进行电路检查,生成网表,模拟和计算电路。它的用途非常广泛,不仅可以用于电路分析和优化设计,还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用,还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件,具有广阔的应用前景。这些特点使得PSpice受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎,国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。

在国外,PSpICe软件的使用非常流行。在大学里,它是工科类学生必会的分析与设计电路工具;在公司里,它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。世界各国的半导体元件公司为它提供了上万种模拟和数字元件组成的元件库,使PSpice软件的仿真更可靠,更真实。

PSpICe软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。有了此软件就相当有了电路和电子学实验室。

1.3.2  PSPICE的优越性

   电路设计软件有很多,它们各有特色。如ProtelTango,它对单层/双层电路板的原理图及PCB图的开发设计很适合,而对于布线复杂,元件较多的四层及六层板来说OrCAD更有优势。但在电路系统仿真方面,PSpICe可以说独具特色,是其他软件无法比拟的,它是一个多功能的电路模拟试验平台,PSpice软件由于收敛性好,适于做系统及电路级仿真,具有快速、准确的仿真能力。其主要优点有:

   1. 图形界面友好,易学易用,操作简单

  由Dos版本的PSpICeWindows版本的PSpice,使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式,使电路设计更加直观形象。PSpice 60以上版本全部采用菜单式结构,只要熟悉Windows操作系统就很容易学,利用鼠标和热键一起操作,既提高了工作效率,又缩短了设计周期。即使没有参考书,用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。

   2. 实用性强,仿真效果好

   PSpICe中,对元件参数的修改很容易,它只需存一次盘、创建一次连接表,就可以实现一个复杂电路的仿真。如果用Protel等软件进行参数修改仿真,则过程十分繁琐。在改变一个参数时,哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接,设置其他参数更为复杂。

   3. 功能强大,集成度高

   PSpICe内集成了许多仿真功能,如:直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等 ,用户只需在所要观察的节点放置电压(电流)探针,就可以在仿真结果图中观察到其电压(或电流)-时间图。而且该软件还集成了诸多数学运算,不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算,还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算,这些都是其他软件所无法比拟的。

   另外,用户还可以对仿真结果窗口进行编辑,如添加窗口、修改坐标、叠加图形等 ,还具有保存和打印图形的功能,这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。因此,Windows版本的PSpICe更优于Dos版本的PSpice,它不但可以输入原理图方式,而且也可以输入文本方式。无疑是广大电子电路设计师的好帮手。

 

1.4      本论文的内容及研究意义

开关电源体积小、效率高,被誉为高效节能电源,现己成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文用分立器件在pspice的环境下,设计了这款自激式AC220V -DC12V开关稳压电源。

 

2                                                                                                                         开关电源的分类及主要应用

2.1      开关电源的分类

边开发开关变频技术,人们开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件。两者相互促进推动着开关电源每年以逾越两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 AC/DC DC/DC 两大类, DC/DC 变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已幼稚和标准化,并已得到用户的认可,但 AC/DC 模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

2.1.1  常见的开关电源型式

·AC-DC:如个人用、家用、办公室用、工业用(电脑、周边、传真机、充电器)

·DC-AC:如车用转换器(12V115/230V) 、通信交换机振铃信号电源

·AC-AC:如交流电源变压器、变频器、UPS不间断电源

·DC-DC:如可携带式产品(移动电话、笔计本电脑、摄影机,通信交换机二次电源)

dc-dc是指直流转换开关电源,在移动电话、笔计本电脑、摄影机等产品中,需将低压直流电压变成高压直流电压,即进行DC-DC变换。

2.1.2  DC/DC 变换

也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种, DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压。一是脉宽调制方式 Ts 不变,改变 ton 通用 ) 二是频率调制方式, ton 不变,改变 Ts 易产生干扰)其具体的电路由以下几类:

其输出平均电压 1 Buck 电路降压斩波器。

U0 小于输入电压 Ui 极性相同。

其输出平均电压 2 Boost 电路升压斩波器。

U0 大于输入电压 Ui 极性相同。

3 Buck Boost 电路降压或升压斩波器。

电感传输。 输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui 极性相反。

其输出平均电 4 Cuk 电路降压或升压斩波器。

电容传输。 压 U0 大于或小于输入电压 Ui 极性相反。

 

2.2      开关电源的主要应用技术

2.2.1  高频磁性元件

电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需要研究。对高频磁元件所用的磁性材料,要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用。

2.2.2  软开关技术

 频化以后,为了提高开关电源的效率,必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。

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。高频化虽可以缩小体积重量,但开关损耗却更大了。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提高到800%~85%。上世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现,如准谐振(上世纪80年代中)全桥移相ZVS-PWM,恒频ZVS-PWMZCS-PWM(上世纪80年代末)ZVS-PWM有源嵌位;ZVT-PWMZCT-PWM(上世纪90年代初)全桥移相ZV-ZCS-PWM(上世纪90年代中)等。我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中,效率达93%。

2.2.3  同步整流技术

对于低电压、大电流输出的软开关变换器,进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流(SR)技术,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管(SBD),可降低管压降,从而提高电路效率。

2.2.4  功率因数校正(PFC)变换器

由于ACDC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6-0.65。采用功率因数校正(PFC)变换器,网侧功率因数可提高到0.95~0.99,输入电流THD<10%。既治理了对电网的谐波污染,又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正(APFC),单相APFC国内外开发较早,技术已较成熟;三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种,但还有待继续研究发展。

一般高功率因数ACDC开关电源,由两级拓扑组成,对于小功率ACDC开关电源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。如果对输入端功率因数要求不特别高时,将PFC变换器和后级DCDC变换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数ACDC开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8以上,并使输出直流电压可调,这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器。

2.2.5  电磁兼容性

高频开关电源的电磁兼容(EMC)问题有其特殊性。功率半导体器件在开关过程中所产生的didtdvdt,将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰,以及强电磁场(通常是近场)辐射。不但严重污染周围电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及附近操作人员的安全。同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性,再加上EMI测量上的具体困难,在电力电子的电磁兼容领域里,存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究,并取得了不少可喜成果。

2.2.6  系统集成技术

电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可靠性低等,而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力,迫切需要开展集成电源模块的研究开发,使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。

实际上,在电源集成技术的发展进程中,已经经历了电力半导体器件模块化,功率与控制电路的集成化,集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上,可以使电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数。在此基础上,可以实现一体化,所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。

上世纪90年代,随着大规模分布电源系统的发展,一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成,提高了集成度,出现了集成电力电子模块(IPEM)IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装,得到标准的,可制造的模块,既可用于标准设计,也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品,显著降低成本,提高可靠性。

 

 

3                                                                                                                           系统方案设计

3.1      电路原理简介

开关管开通和关断的时间比率,开关电源是利用现代电力电子技术。维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制( PWM 控制 IC MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比,二者的利息都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源本钱在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为利息反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不时地创新,这一利息反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间。

高频化使开关电源小型化,开关电源高频化是其发展的方向。并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及维护环境方面都具有重要的意义。

开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、 IGBT MOSFET

GP 驱动困难, SCR 开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用。开关频率低,逐渐被 IGBT MOSFET 取代。

开关电源的三个条件

1 开关:电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

2 高频:电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

3 直流:开关电源输出的直流而不是交流

3.2      系统框图

构思整个系统由哪些功能模块组成,以及各个功能模块之间的互相控制关系,将各功能模块联系起来画出总体功能模块图。

 

3.3      本系统单元电路构成

本系统分为两部分,第一部分:AC220V-DC300V变换

第二部分:DC300V-DC12V变换

主要单元电路如下:

1)      自激振荡电路

2)      限流电路

3)      电压反馈电路

 

 

 

4          系统硬件设计

 

4.1      电路原理简介

 

开关管开通和关断的时间比率,开关电源是利用现代电力电子技术。维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制( PWM 控制 IC MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比,二者的利息都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源本钱在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为利息反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不时地创新,这一利息反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间。

高频化使开关电源小型化,开关电源高频化是其发展的方向。并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及维护环境方面都具有重要的意义。

开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、 IGBT MOSFET

GP 驱动困难, SCR 开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用。开关频率低,逐渐被 IGBT MOSFET 取代。

开关电源的三个条件

1 开关:电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

2 高频:电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

3 直流:开关电源输出的直流而不是交流

 

4.2      整流滤波电路

2       原理图设计

 

2       原理简介

从上图可以看出,AC220V输入,D5,D6,D7,D8桥式整流,然后输出给开关变压器TX4,经开关变压器输出,整流滤波,得稳定的300V输出电压。

当输出电压有波动时,调整管Q1调整输入电压,反过来抑制输出电压的波动。

4.3        自激振荡回路

2       原理图设计

2       原理说明

TX5为储能电感,在一个脉冲的前半个周期,TX5处于充电状态,后半个周期处于放电状态,这样,开关管Q1也以固定的频率的开关。能量得以持续和循环供给。

 

4.4      限流电路设计

2       原理图设计

2       原理说明

当R1上流经的电流到达一定值,在R1上将产生压降,当压降超过0.V,三极管Q3饱和导通.Q3集电极电压为0,自激式振荡回路终止,输出电流变小,当R1上的电流小到足够的值,R1两端的电压低于0.VQ3又截止,自激振荡回路又继续振荡.

 

4.5      电压反馈电路

 

电压反馈部分,当电压达到设定的输出电压时,单片机输出稳定的PWM信号给给三极管Q4的基级,Q1的极电极电压为0,Q1导通.从而使输出电压稳定在设定值左右。

 

 

 

 

 

5                                                                                                                           系统仿真

 

5.1      直流工作点分析

 

 

5.2      AC220V-DC300V输入脉冲电压波形图

5.3      输出波形

 

波形图中蓝色的线条为输出电压的波形,从图可以看出,纹波极小,系统运行可靠。

 

6                                                                                                                           结论与展望

 

经过这次毕业设计,使我受益良多。四年的理论知识学习以及应用和实践。了解进行项目设计的步骤和注意问题。以前简单的单任务开发的比较简单,毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。在设计过程中,前期,我在资料的收集、课题的选择、方案的选定方面做了不少的工作。我还对所学的与设计有关的课程作了系统的复习。经过这次系统的毕业设计,熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。 并且学会了怎样查阅资料和利用工具书。在设计中有针对性地查找资料,然后加以吸收利用,以提高自己的应用能力,而且还能增长自己见识,学习更多的专业知识。实践能力得到了进一步提高,在设计过程中积累了一些经验。

该开关电源应用广泛,使用简单,外围电路也很精炼,经过实际使用说明,具有精度高,纹波小,输出电压稳定,等特点。

由于本人电子水平有限,电子设计实践经验较少,论文中难免会存在缺点和错漏,恳请各位老师同学批评纠正。谢谢


7                                                                                                                            

在本设计完成之制,我要感谢我的指导xxx老师给予我的指导和帮助,还有我班xxxx等同学,他们在我的设计过程中给予了很多帮助。在此表示衷心的感谢。同时感谢在我四年大学生活中教导我的老师和同学。谢谢答辩组的老师百忙中对我设计的阅览和指导。


8                                                                                                                           参考文献

 

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[3] 周志敏, 周纪海.开关电源实用技术----设计与应用[M]2003

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[5] 周志敏, 周纪海, 纪爱华.开关电源实用电路[M]2006

[6] 万福君,潘松峰.单片微机原理系统设计与应用[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社,2005

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[10] 段九州.电源电路实用设计手册[M].辽宁:辽宁科学技术出版社.2002

[11] 沙占友.单片开关电源最新应用技术] [M]2003

[12] []户川治郎著;何伟仁译.实用电源电路设计手册[中译文] [M]1990

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[15] 李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社 1999

[16] 赵文博,刘文涛.单片机语言C51程序设计编著.人民邮电出版社2005

 

 

 

 

 

 

 

 

9                                                                                                                           :总电路图

 

 

 

 


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