1、-劍橋學院畢 業(yè) 設 計論文題目：基于單片機控制的開關電源的設計 學生：指導教師： 德勝 高級工程師 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 12級電氣2班 2021年5月劍橋學院畢 業(yè) 設 計論 文審 閱 評 語指導教師評語 建議成績：是否同意辯論：同意辯論 不同意辯論 指導教師簽名 職 稱 年 月 日 評閱人評語建議成績： 是否同意辯論：同意辯論 不同意辯論 評閱教師簽名 職 稱 年 月 日 劍橋學院畢業(yè)設計論文辯論評語及成績辯論評語 答 辯 成 績: 辯論小組組長簽字： 年 月 日畢業(yè)論文成績指導教師成績：評閱成績：辯論成績：綜合指導教師成績、評閱成績、辯論成績，經(jīng)辯論委員會評定，該學生畢

2、業(yè)論文總成績：辯論委員會主任單位：辯論委員會主任簽字：職稱： 年 月 日. z-基于單片機控制的開關電源的設計摘 要電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現(xiàn)代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣穿插技術，隨著科學技術的開展，電源技術又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步開展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。他對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、電力工程、國防及*些高新技術提供高質(zhì)量、高效率、高可靠的電源起著關鍵作用。本文設計主要目的是實現(xiàn)一個單片機控制開關電源，所以在這次設計中使用了單片機實現(xiàn)。在這次設計文檔中，詳細闡述

3、了開關電源與線性電源的比較，總體構造設計，通過鍵盤預置期望輸出電壓值，模/數(shù)轉換器對輸出電壓進展采樣，由軟件控制單片機輸出相應的脈沖寬度，對開關電源進展脈寬調(diào)制，輸出預期的電壓。并采用PID算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構成可輸出12v到0v的可調(diào)節(jié)電壓，并顯示實時預置值與電壓。 關鍵詞：財開關電源；半導體；PID算法；閉環(huán)控制；數(shù)控. z-目 錄摘要I1 緒論11.1 課題環(huán)境背景2綠色節(jié)能型開關電源21.1.2 智能化數(shù)字電源21.1.3 可編程開關電源21.2 電源技術的開展與方向21.2.1 線性電源和開關電源21.2.2 電源技術的開展方向31.2.3 開關電源的市場前景和研究現(xiàn)狀31.3

4、本文研究主要容42 系統(tǒng)方案設計52.1 開關電源工作原理52.2 開關電源與線性電源的比較52.2.1 線性電源的缺點52.2.2 開關電源的優(yōu)點52.3 系統(tǒng)方案論證62.3.1 方案162.3.2 方案262.3.3 方案372.3.4 方案分析72.3.5 總體構造設計72.4 系統(tǒng)難點分析82.4.1 如何提高電源工作頻率82.4.2 儲能電感的繞制92.4.3 標度轉換技術102.5 開關變換器構造分析與選擇102.5.1 降壓變換電路分析112.5.2 升壓型變換電路122.5.3 Buck-Boost型變換器122.6 開關電路器件參數(shù)選擇132.6.1 功率開關管的選擇132

5、.6.2 濾波電容的選擇13儲能電感的選擇14續(xù)流二極管的選擇143 硬件電路設計153.1電源電路設計153.1.1 整流濾波電路153.1.2 開關變換電路153.1.3 保護電路163.2 控制電路設計173.2.1 反響電路設計183.2.2 顯示電路設計183.2.3 單片機與鍵盤接口電路設計194 軟件設計214.1 總體編程思想214.1.1 鍵盤防抖動子程序224.1.2 顯示子程序234.1.3 采樣子程序244.1.4 中斷處理程序設計254.1.5 PID控制算法265 系統(tǒng)調(diào)試275.1 硬件模塊調(diào)試275.1.1 整流濾波電路的調(diào)試275.1.2 AD轉換的調(diào)試275

6、.1.3 脈沖輸出電路的調(diào)試275.1.4 功率開關管的調(diào)試275.2 電源性能指標的測試275.2.1 電源的技術指標285.2.2 輸出電壓的測試295.2.3 最大輸出電流的測試295.2.4 過流保護的測試305.2.5 電壓調(diào)整率的測試305.2.6 紋波電壓的測試30結論31致32參考文獻33附錄34. z-基于單片機控制的開關電源的設計1 緒論 1.1 課題環(huán)境背景電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現(xiàn)代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣穿插技術，隨著科學技術的開展，電源技術又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步開

7、展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。他對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、電力工程、國防及*些高新技術提供高質(zhì)量、高效率、高可靠的電源起著關鍵作用。開關電源與線性電源相比，二者的本錢都隨輸出功率的增加而增長，但二者增長速率不同。線性電源本錢在*一輸出功率點上，相反高于開關電源。隨著電力電子技術的開展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一本錢反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的開展空間。開關電源推動了高新技術產(chǎn)品的請便化、小型化。另外開關電源的開展與應用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義1。1.1.1 節(jié)能綠色型的開關電源最早的開關電源

8、技術還不夠成熟，待機功耗大并且效率低。怎樣降低開關電源的功耗和提高開關電源效率是世界能源待解決的問題。但是單片機的出現(xiàn)，可以設計出一個綠色又可以節(jié)能的開關電源。1.1.2 智能化數(shù)字電源它是以數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統(tǒng)。數(shù)字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復雜的電源要求。1.1.3 可編程開關電源可調(diào)式開關電源都不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便，因為它是手動調(diào)節(jié)電阻值來改變穩(wěn)壓器輸出電壓的。數(shù)字電位器Digital Potentiometer亦稱數(shù)控

9、電阻器Digitally Controlled Potentiometer，可簡稱為DCP。傳統(tǒng)電源存在缺乏的地方，例如，傳統(tǒng)電源效率不高，線性電源由于功率管是工作在線性放大狀態(tài)，功率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當輸出電流越大時，功耗就越大。通常，線性電源效率只有45%到50%左右，因此提高電源效率是未來電源設計，應著重解決的問題，而開關電源能夠很好的解決這個問題，開關電源的功率開關管是工作在開關狀態(tài)的，也就是，只是在開關管導通時，管子才會產(chǎn)生損耗，因此開關電源的效率比線性電源要高得多，通常可以到達80%以上，本設計選擇開關電源作為研究對象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關系，假定

10、輸入根本穩(wěn)定，利用單片機控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過A/D轉換，采樣輸出電壓，使用LCD顯示，通過鍵盤預置電壓，實現(xiàn)可調(diào)開關電源的制作2。1.2 電源技術開展和方向1.2.1 開關電源與線性電源線性穩(wěn)定電源，它的特點是:功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間電壓降穩(wěn)定輸出，可靠性高，易做成多路，穩(wěn)定性高，紋波小、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。線性電源主要問題是：效率低、精度低、散熱問題大和難以在一個通用的輸入電壓圍工作，但最主要的缺陷是在重量以及體積上。使用輸入調(diào)整器可使輸出精度更加準確，但是更增加功率的消耗，并且導致效率更低。線性電源功率到達50%的效率就不容易了，這些浪費掉的功率還帶來了散

11、熱的問題。開關電源是開關型直流穩(wěn)壓電源，電路形式有全橋式、推挽式、單端正激式、單端反激式和半橋式。開關電源與線性電源的區(qū)別在于開關電源變壓器不工作在工頻上，而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲頻率上。功率開關管工作在飽與區(qū)截止區(qū)，工作在開關狀態(tài)，得名與開關電源。開關電源它的優(yōu)點是穩(wěn)定性高，重量輕，體積小。1.2.2 電源技術開展的方向尖電源技術對提高一個國家勞動生產(chǎn)率和提高一個國家單位能耗的產(chǎn)出水平，有著非常大的作用。另外開關電源的開展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義3。 開關電源開展的方向是抗干擾、低耗、模塊化、高頻、高可靠和低噪聲。由于開關電源薄、輕、小的技術是高頻化，并

12、且在功率鐵氧體Mn-Zn材料上加大研究，來提高在較大磁通密度與高頻率下能獲得高的磁性能，但是電容器的小型化也是一項關鍵技術研究。SMT技術的應用使開關電源取得了巨大的進展，在電路板兩邊布置元器件，可以確保開關電源的小、輕、薄。模塊化可以說是開關電源開展總體的趨勢，利用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以組成N+1冗余電源系統(tǒng)，并且可以實現(xiàn)并聯(lián)方式容量擴展。對于開關電源運行噪聲大的缺點，用局部諧振轉換電路技術，在理論上可實現(xiàn)高頻化又可以降低噪聲，但局部諧振轉換技術實際操作上會有很多技術問題，所以仍需在這一領域開展研究，使多項技術得以實用化1.2.3 開關電源市場的研究狀況與前景線性電源(Linea

13、r power supply)是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值,再經(jīng)過整流電路整流后,得到脈動直流電后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電。要到達高精度直流電壓,就必須經(jīng)過穩(wěn)壓電路進展穩(wěn)壓。用于電鍍、充電設備、電解、科研、大學院校、工礦、實驗室等。開關電源(Switching power supply)是利用現(xiàn)代電子電力技術,控制開關管關斷時間和開通的比率,支持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關電源高頻化是其開展的方向,高頻化使開關電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了開關電源的開展,產(chǎn)品不斷向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠的方向開展4。開關電源是電子電力電源

14、主要產(chǎn)品，由于其功率密度/轉換效率高、輸入電壓圍廣、輸入電壓圍廣、熱消耗較少、重量輕和小型化等優(yōu)點，得益于電子產(chǎn)品的輕、小的需求，開展迅速，取代了線性電源普及于各種電子電力的產(chǎn)品領域。開關電源應用領域統(tǒng)計，占據(jù)全行業(yè)產(chǎn)出份額第一的是工業(yè)類開關電源，2021年到達全行業(yè)產(chǎn)值的比重為56%，居第二位的是消費類開關電源，占32%，通信開關電源占6%，個人電腦開關電源占3%5。1.3 本文研究主要容1設計、制作開關電源；2利用單片機構成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤的預置輸入電壓數(shù)值，可以顯示預置電壓與輸出電壓；3開關電源的設計方法；4單片機軟件編程方法；5PID控制原理；2 系統(tǒng)方案設計2.1 開關電源工

15、作原理開關電源是指調(diào)整管工作在開關方式，即導通和截止狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，核心是一個直流變換器。利用直流變換器就可以使一種直流電壓變成數(shù)值不同、極性的各種直流電壓。 如圖2.1所示，電路的工作原理為：假設基準電壓為10v，因為電網(wǎng)波動導致輸入電壓減小，所以輸出電壓也會減少，則，所采樣電壓將減小，假設為9.9v，誤差為0.1v，經(jīng)比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)誤差，提高占空比使輸出電壓增大。圖21開關電源原理框圖按電路中功率管的工作方式分類，電源可分為線性電源與開關電源。線性電源是較早的一種電源，它的功率管工作在線性放大區(qū)5。2.2 線性電源和開關電源的比較2.2.1 線性電源的缺點1必須要有較大的濾波

16、電容；2體積大、不能小型化，重量也大；3效率低，功耗大，效率一般只有35%-45%。缺點的原因是：1線性電源使用了50赫茲的工頻變壓器，所以必須增大濾波電容容量。2線性電源中功率晶體管V在整個工作過程中，一直工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。功率晶體管本身的輸出電流和功耗成正比。2.2.2 開關電源優(yōu)點（1） 功耗小，效率高。圖2.1中，開關管V在脈沖信號控制下，工作在截止-導通與導通-截止交替的開關狀態(tài)下，轉換速度很快快，頻率在50200千赫茲。（2） 體積小，重量輕。（3） 穩(wěn)壓圍寬。開關電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者鼓勵信號的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進展

17、補償。（4） 濾波效率提高，并使濾波電容體積于容量減小。2.3 系統(tǒng)方案論證開關電源具有較快的開展，從而產(chǎn)生了不同的設計思路。開關電源的一般構造框圖如圖2.1所示，圖22 開關電源的一般框圖2.3.1 方案1主回路采用非隔離推挽式拓撲構造如圖2.2所示圖23 非隔離式DC-DC構造 方案2主回路用隔離推挽式拓撲構造如圖2.3所示，輸出和輸入電氣不相連，通過關開變壓器磁偶合方式傳遞能量，最適合實驗室使用。本設計用方案二。圖24 隔離式DC-DC構造2.3.3 方案3方案3：單片機擴展D/A轉換器，不連續(xù)的檢測輸出電壓，并且根據(jù)電源輸出的電壓和鍵盤預置電壓差值，輸出了一個PWM脈沖，直接控制電源工

18、作。2.3.4 方案分析方案1分析：采用脈沖頻率調(diào)制FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，輸出電壓的調(diào)節(jié)圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。方案2分析：采用脈沖寬度調(diào)制PWMPulse Wildth Modulation的控制方式，。基于考濾題目的要求，本次設計用PWM調(diào)節(jié)方式。方案3分析：這個方案，單片機不僅參加了反響控制系統(tǒng)，而且作為控制核心，單片機得以充分利用，而且省去了D/A芯片，本錢大大降低，是真正的單片機控制。綜上所述，本設計選擇第三種控制方案，單片機使用89C52，A/D芯片采用ADC0809，采用LCD顯示采樣值，鍵盤預置電壓，設計中的任

19、務要求輸出可調(diào)。2.3.5 總體構造設計系統(tǒng)工作原理圖如圖2.2所示：市電經(jīng)過整流濾波后，一路電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓得到一個+5v電壓，該電壓作為單片機的工作電源，另外一路電壓直接作為開關變換電路的輸入電壓。開關變換器采用磁鐵心電感作為儲能元件，在功率開關管導通時，電感儲能，在開關管截止時，電感釋放能量給負載。單片機定時采樣輸出端電壓，是通過ADC0809傳送進單片機里進展處理的，單片機可以根據(jù)處理的結果輸出更新控制信號，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號控制功率開關管工作狀態(tài)。在系統(tǒng)中，用戶根據(jù)需要從鍵盤輸入電壓，單片機就會根據(jù)鍵盤輸入和采樣電壓差值，更新脈寬，來對輸出電壓進展穩(wěn)定控制。 當

20、閉環(huán)時，電源就會自動進展脈寬調(diào)制，當系統(tǒng)讀取到鍵盤預置電壓變化時，它先將鍵盤輸入的值與從輸出端取樣的值相比照，比方當前鍵盤輸入為100v，從輸出端取樣的值為60v，差值為40v，則系統(tǒng)會根據(jù)差值，跟新脈寬。這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程。同時，電源可以自動穩(wěn)壓，假定在*一正常狀態(tài)下，輸出為V0，反響電壓問VfVf=V0，用戶設定電壓為Vs，當V0=Vs時，偏差為0，單片機不進展脈寬更新，當電網(wǎng)波動導致輸出增加時，即V0>Vs時,單片機采樣的電壓也增加，單片機根據(jù)偏差修改占空比使導通時間變小，從而使電壓下降，同樣當電網(wǎng)波動使輸出電壓下降時，即V0<Vs時，單片機修改脈寬使導通時間變長，從而使

21、輸出電壓上升，如此循環(huán)來進展穩(wěn)壓6。整流濾波電路開關變換電路整流濾波電路單片機控制電路輔助電源LCD顯示ADC0809取樣電路鍵盤預置25 單片機控制開關電源系統(tǒng)框圖2.4 系統(tǒng)難點分析2.4.1 如何提高電源的工作頻率困難分析：現(xiàn)如今開關電源工作頻率已經(jīng)可以到達200千赫茲以上，所以本次設計雖然采用了24M赫茲晶振頻率，但開關電源要求的是單片機的處理速度要快，51系列單片機，雖然使用24M的晶振，相對于開關電源需要很快開關工作頻率，但是它的速度仍然比較慢，并且單片機還要做掃面鍵盤，采樣電壓，PID控制等很多工作，則單片機更加慢，雖然可以忽略這方面影響，單片機可通過定時器中斷產(chǎn)生40千赫茲頻率

22、，但定時器中斷產(chǎn)生的脈沖有效電平，即占空比是不可以改變的，只可以是50%，所以要設計輸出可調(diào)的開關電源，顯然行不通。解決方法：現(xiàn)在的問題是在于單片機輸出的脈沖硬件更改，占空比不可以更改，只可以替換速度高單片機，但是本錢又增加了，所以在選擇在軟件上解決問題，分為：第一要定義兩個變量，一個占空比D，一個中期T，給它們賦于值，T要大于D，先讓單片機I/O輸出高電平，讓D，T同時開場計數(shù)，當D計算到預計值時，I/O口為低電平，然后低電平一直延續(xù)到T值時，I/O口輸出高電平。改變T，D的值可以改變脈沖頻率，改變D值可以控制占空比。算法為：D=100，T=1000；/定義變量，并賦值，占空比為100/10

23、00=10%VOID tim0 ()/定時中斷P1.0=1;/P1.0輸出高電平D+;/同時計數(shù) T+;IfD=100P1.0=0；/D到預計值時，輸出的是低電平If T=1000P1.0=1；/T到預計值時，輸出的是高電平D=0；T=0；/清零只要單片機時鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。2.4.2 儲能電感的繞制我們用儲能電感目的，是在功率開關管截止的時候，可以為負載存儲能量，電氣上的作用是可以把開關方波脈沖積分成直流電壓。需是自己繞制，需要最小電感值可以由公式計算 式中為估計最大輸入電壓下，開關管導通時間，根據(jù)設計前輩們的經(jīng)歷，估計為開關周期的30%是比較適宜的。代入數(shù)據(jù)求得，取電感的設

24、計方法為 其中為參加氣隙的高磁導率材料鐵心電感的截面積，為電感窗口截面積，其中I為電感電流有效值，是導線電流密度，是繞組填充的因數(shù)，0<。，為鐵心中的磁通密度。計算出的值，于手冊對照，選用大于值產(chǎn)品，就可以查到對應鐵心的截面積，公式為確定繞組匝數(shù)。2.4.3 標度轉換技術本次設計使用了ADC0809，這種芯片只能采樣0到5V的電壓，所采集回來的電壓對應的是0到255的數(shù)字量，而用戶從鍵盤輸入的是電壓值。控制系統(tǒng)檢測被控對象的參數(shù)是有不同數(shù)值與量綱。所有這些參數(shù)都需要通過變送器轉換為電信號，再通過A/D轉換器或者V/F變換器轉換為計算機所能處理的數(shù)字量。必須把這些數(shù)據(jù)轉換成相應的不同量綱的

25、物理量。這就是標度變換技術。我們這次設計標度轉換為：鍵盤輸入為：0到12V；采樣0到5V電壓對應數(shù)字量為0到255變換程序：r=input*255/12;/input為鍵盤輸入值,r為轉換后的數(shù)字量就是說使預置的0到12v的轉換為0到255的數(shù)字量，這樣單片機系統(tǒng)才能夠進展正確的比較處理。2.5 開關變換器的構造分析與選擇開關電源核心是脈沖控制電路與高頻開關變換電路。輸出電壓平均值,控制電路根據(jù)反響電壓控制高頻開關管的導通時間與截止時間，到達控制輸出電壓目的。隔離電路采用高頻隔離變壓器與高頻變化器。開關電源的四中組態(tài)為：1Buck變換器；2Boost變換器；3Buck-Boost變換器；4CU

26、K變換器。2.5.1 降壓變換電路分析這些開關電源是直流供電，它們輸入電壓總是比輸出電壓高。當開關管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。當開關元件被控制截止時，由于電感上的電流不能跳變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負載，電容的作用是平滑輸出。電路中負載電阻與開關管是串聯(lián)，因此稱為串聯(lián)開關電源。圖26 Buck變換器開關管導通，當電感電流上升到等于Io時，電容停頓向負載供電，此時輸出電壓到達最小值。隨著電感電流的繼續(xù)上升，電容開場充電，從最低值開場上升。當開關管截止時，電感上電流處于最大，此后電感上電流開場下降，但電流仍比Io大，所以電容仍處于充電狀態(tài)，輸出電壓繼續(xù)上升。當電感電流下降到

27、Io時，電容停頓充電，此時電容上電壓到達最大值。因為電感電流下降，所以電容放電，從最大值慢慢開場下降。假設開關管的導通時間為,截止時間為,并且開關管和電感為理想元件，則,其中為開關的脈沖占空比。假設開關管導通狀態(tài)，截止時間為0，則；假設開關管一直截止，導通時間為零，則，隨著與的比例不同，輸出電壓為0之間的各種值。我們來分析該電路的工作原理：開關管導通，發(fā)射極上的電壓為 2-1為開關管飽和壓降，為輸入電壓，則電感電壓為,為電感電流，則在經(jīng)歷以后，開關管截止，此時電感電流最大，電流值為 2-2當這時，電感儲能是： ，因為電感對電容充電，充電的電量是 2-3這期間，輸入電壓給電路能量是 2-44式經(jīng)

28、過變換得：/即是電感中儲存的磁能和電容儲存的電能。當開關管截止后，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生感應電勢，使得續(xù)流二極管導通，電感通過電路向負載放出能量，假設二極管正向導通壓降為，電感上的二級管降壓與輸出電壓、電壓之間有這樣的關系：我們通過下面的式子算出電感電流由最大值為0的時間， 2-5開關管截止期間電容充電量是 2-6續(xù)流二極管作用是使電感電流在開關管截止時可以連續(xù)變化，假設控制信號的每一個脈沖都可以完全工作，就會有，則讓電感在導通期間存儲的能量，能在時間，就可以完全釋放給電路。我們可以根據(jù)能量守恒定理來證明， 2-7代入4式得 2-8所以我們知道了，脈沖周期越小或導通時間越大，輸出電流就越大

29、，我們需要提高電源輸出功率時，就可以通過提高開關管的工作頻率。2.5.2 升壓型變換電路升壓式開關電源的輸出電壓總是高于輸入電壓Ui，且極性是一樣的。因為負載與開關管是并聯(lián)，所以稱為并聯(lián)開關電源。2.5.3 Buck-Boost型變換器極性變換式電源輸入電壓和輸出電壓極性是相反的，輸入的電壓絕對值要低于輸出電壓絕對值，否則將和降壓式開關電源混淆，當開關管導通時，輸入電壓加在電感上，產(chǎn)生電流，電感進展儲能，二極管反向截止。晶體管截止時，電感上電流逐漸減小，感應電動勢使二極管導通，給電容充電，電容上的電壓與輸入電壓極性相反。當負載上的電壓要跌落時，電容再次給負載放電，這時可使輸出電壓高于輸入電壓。

30、這幾種開關電路都有各自特點，我們的任務要求電源在12到3伏之可調(diào)，但輸入電壓為14.3V，因此采用降壓型開關變換電路，通過調(diào)制輸出占空比為90%到0的脈沖，使得電源在要求圍之可以調(diào)節(jié)。2.6 開關電路的器件參數(shù)和選擇2.6.1 功率開關管的選擇 開關管是電源最重要要的工作器件，正確選擇，是電源成功制作的根底。第一，開關管截止時間不可以過長，假設截止時間過長，開關管的上一個控制脈沖就已經(jīng)完畢，當下一個控制脈沖已經(jīng)到來時，就會造成開關管沒有完全關斷，就馬上就進入下一個導通周期，這樣會造成電源損壞。第二，開關的導通時間也不可以過長。假設開關頻率較高，開關管截止與導通的頻率頻繁，導通時間過長，就意味開

31、關管有更多時間是在放大狀態(tài)下工作的，這樣開關管功耗就會迅速增大，電源的效率降低。我的論文中電源工作頻率為24.9千赫茲，根據(jù)設計前輩們的經(jīng)歷，功率開關管的導通時間不宜超過1.49，截止時間不可以超過1。當開關管導通的時候。計算如下：電感電流的平均值等于負載電流，則有，流過開關管的電流平均值為，忽略開關管導通壓降，有，整理方程消去得到 2-9電流流過開關管最大電流等于電感電流最大值，所以，得出額定輸出電流是，得出集電極電流小于當開關管截止的時侯，電源全部輸入電壓都會加在開關管的發(fā)射極兩端與集電極。因此其耐壓值就一定要大于集電極輸入電壓，因為考慮到開關瞬間濾波電感和電網(wǎng)波動所產(chǎn)生的浪涌電壓，選取耐

32、壓值為輸入電壓的2倍。輸入電壓為14.4，則開關管耐壓應大于2，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，選擇的晶體管型號為D882，耐壓值40V，集電極電流3A，功率10W。2.6.2 濾波電容的選擇電容濾波原理是：利用電容在截止期間釋放能量、在整流二極管導通期間儲存能量的作用。濾波一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。由于電感電流仍小于輸出電流，電容向負載放電，電壓下降，產(chǎn)生紋波，在一個脈沖周期中，電容所釋放的電量為，設紋波電壓峰峰值為，則有 2-10任務要求為因此脈沖頻率是25千赫茲，周期，選取電容量470鋁電解的電容。2.6.3儲能電

33、感的選擇開關管飽和導通時，其飽和壓降可以忽略，則電感感應電動勢為 2-11 2-12電感電流變化量和負載電流的變化量相等，為了使電感電流在負載電流最小時，仍保持連續(xù)，取，為負載最小電流。代入式11得 ，根據(jù) ，所以電感計算是 2-13負載電流最小值為0.5安，代入公式，算得電感量為76.8,取電感量為100，電感量越大，儲能就越大，因為是在高頻下工作，電感選用磁鐵心電感，為防止電感飽和，選擇飽和電流為2A。2.6.4續(xù)流二極管的選擇根據(jù)變換器的工作原理，開關截止時，續(xù)流二極管導通，電感的磁能轉換為電能，二極管起到續(xù)流的作用，選擇超快恢復二極管，根據(jù)本次設計的要求，選擇電流大于耐壓大于30的肖特

34、基二極管。3 硬件電路設計3.1 電源電路設計開關電源設計包括采樣電路、輸出整流濾波電路、保護電路、開關變換電路，輸入整流濾波電路。3.1.1 整流濾波電路電壓經(jīng)過變壓器降壓后，其通過7812后變?yōu)?2v，該電壓整流后一局部電壓直接成為開關變換電路輸入電壓，另其通過7805得到5v的電壓后，給予開關電源控制電路局部單片機提供工作電源。交流220v降壓后經(jīng)過整流橋整流輸出直流電壓作為開關變換電路的輸入電壓，7805穩(wěn)壓輸出5v給單片機提供電源。圖31整流濾波電路3.1.2 開關變換電路功率開關管采用達林頓管，由于它采用兩個三極管進展級聯(lián)，其放大倍數(shù)是兩個管子放大倍數(shù)的乘積，因而具有很高的放大倍數(shù)

35、，通過級聯(lián)，可獲取大的電流輸出，對于提高電源的輸出功率，有一定的作用。所以開關管選擇是PNP型，假設控制脈沖的低電平，則開關導通，電感存儲能量，開關把電路輸入電壓變成高頻脈沖，假設控制脈沖為高電平，則開關截止，電感把所存儲的能量釋放給負載。為了確保電感電流能在開關轉換過程中保持連續(xù)，選用肖特基二極管作為續(xù)流二極管選用，這種二極管具有較快的導通截止恢復時間，在開關導通變?yōu)榻刂箷r，能夠很快的由截止轉換到導通，所以能夠確保電感電流連續(xù)7。圖32 開關電路與輸出整流濾波電路3.1.3 保護電路如圖3.3所示，在實際應用中常常會出現(xiàn)因為一時疏忽或誤操作而導致的燒壞芯片情況，因此設計一個優(yōu)秀的產(chǎn)品。其原工

36、作理為：在電源輸出端，設置負載電流檢測電阻R0，通過R0將負載電流Io變成過流檢測電壓,三極管是過流控制管，假設開關電源負載電流是，過流控制三極管開場導通時，電源輸出電壓是過流控制管集電極輸出，觸發(fā)晶閘管導通時，可以將開關電源負載短路，可以實現(xiàn)保護。本電路具有自鎖功能，假設負載電流增大持續(xù)時間超過C1充電時間事，電路觸發(fā)以后，則負載電流恢復正常，也不可以解除保護狀態(tài)，我們必須關斷電源，排除過流因素后，晶閘管才可以復位。以下圖中，電感和輸出端電容之間的局部是保護電路。圖33 過流保護電路3.2 控制電路設計控制電路用89c52芯片，該芯片有32個可編程的I/O口。RST：復位輸入，當振蕩工作時，

37、RST引腳出現(xiàn)兩個周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當外部存儲器時，ALE地址鎖存允許輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即便不用外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，所以它可對外輸出時鐘或定時目的。EA/VPP：外部允許。部存儲器時，EA端接高電平。當外部存儲器時，EA必須保持低電平。振蕩電路本次設計采用的是石英振蕩電路，外接電容C1、C2的容量的大小的取值會影響振蕩頻率的上下、振蕩器的工作穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用瓷振蕩器，應選擇容量為3050PF，對于石英晶體，選擇2040PF，這里我們選擇電容為22PF，晶振為24M赫茲。復位電路

38、單片機復位電路有按扭電平復位，上電復位，按扭脈沖復位。上電復位是利用器充電實現(xiàn)。電阻取1k，電容取22uf。本次設計在調(diào)試過程中使用的是89S51，該單片機與MCS51系列完全兼容，工作頻率0到33M赫茲，支持系統(tǒng)編程，只需要從電腦引出幾根線即可。該燒寫器電路及用戶界面，均可以從網(wǎng)上獲取。3.2.1 反響電路設計反響電路是應用ADC0809輸出電壓，這個器件能轉換5到0伏之間的電壓，超過后會燒毀芯片，假設要采集大的電壓，我們可通過電阻分壓再采樣，可以在程序中再乘以一個分壓系數(shù)，來代表輸出電壓值。 以下圖為ADC0809的接線圖：圖34 ADC0809接線圖3.2.2 顯示電路設計液晶顯示器以其

39、抗干擾、防止幾何失真、畫面無閃爍、厚度薄、無電磁輻射、重量輕、耗能少、體積小等諸多優(yōu)點被業(yè)界和用戶一致看好。 LCD128*64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。可以顯示16×16行8×4點陣的漢字， 還可以完成圖形顯示。低功耗，低電壓是其特點。根本特性:1、低電源電壓VDD:+3.0-+5.5V2、顯示分辨率:128×64點 3、低功耗4、置 128個16×8點陣字符 5、2MHZ時鐘頻率 6、顯示方式：STN、半透、正顯 7、驅動方式：1/32DUTY，1/5BIAS8、

40、視角方向：6點 9、通訊方式：串行、并口可選圖35 LCD接口電路鍵盤接口和單片機電路設計我的論文鍵盤是16個按鍵的，有軟件定義功能，需要解決的問題： 鍵盤是按鍵的集合,是向系統(tǒng)命令的接口設備。按鍵分非編碼鍵和與編碼鍵盤盤兩種類型。編碼鍵盤可以自動識別按下的鍵同時生成對應的代碼,通過并行或串行方式送給CPU。這種鍵盤的優(yōu)點是使用方法簡便,接口簡易,反響快速,缺點是本錢較高。非編碼鍵盤則通過軟件來確定按鍵并計算鍵值.因為這種方法沒有編碼鍵盤速度快,但是它組態(tài)靈活，價格廉價,所以得到廣泛應用.鍵盤是計算機應用系統(tǒng)中一個重要局部,設計時需要解決下述一些問題。1.按鍵確實認 鍵盤實際上是一組按鍵開關的

41、集合,其每一個按鍵就是一個開關量輸入裝置。按鍵的閉合,受控于彈性開關的合，斷兩個狀態(tài),電壓上的表現(xiàn)就是出高電平或低電平,高電平表示斷開,則低電平就表示鍵閉合。所以,通過電平狀態(tài)(高或低)的檢測,便可確定相應按鍵是否已被按下.鍵盤中有無按鍵按下是通過列選線讀入掃描字及行線讀入行選線的狀態(tài)進展判斷的8。判斷的過程是：必須使列選線所有I/O線均設置成為低電平，第二步使行線狀態(tài)讀入累加器中。如果有鍵按下，則至少會有一根行線被拉至低電平，從而使行輸入不全為1。 2.鍵盤抖動的防止 由于不規(guī)的操作或者鍵盤本身的構造都會導致鍵盤抖動，鍵盤的抖動會影響數(shù)值正確輸入，造成錯誤操作，因此要防止。圖36 單片機鍵盤

42、接口電路4 軟件設計4.1 總體編程思想單片機控制系統(tǒng)軟件設計思路：系統(tǒng)掃描鍵盤輸入，當鍵盤有輸入，系統(tǒng)立即會做出響應，根據(jù)采樣鍵盤輸入和電壓之間的差值，更新脈寬，輸出用戶期望電壓，然后系統(tǒng)仍掃描鍵盤，假設沒有再次輸入，系統(tǒng)就會調(diào)用PID控制的算法，控制輸出電壓的穩(wěn)定。軟件子程序包括：1數(shù)碼管掃描與鍵盤子程序，2ADC0809轉換子程序，3定時器 零 中斷產(chǎn)生的方波子程序，4PID控制子程序，5定時器1中斷修改占空比、進展PID控制、數(shù)碼顯示子程序。4.1.1 鍵盤防抖動子程序在按鍵操作過程中,都會無意中同時或著按下兩個以上的鍵或連擊,發(fā)出了錯誤指令，所以，為了防止這種情況發(fā)生，會在程序中進展

43、兩次判斷，來確認按鍵。本文要求有電壓預置功能，所以程序中將8個按鍵定義：加20，加200，加2000，向上切換鍵，減20，減200，減2000，向下切換鍵。滿足電壓預置要求，通過切換可以顯示當前預置電壓值，輸出電壓值，PID控制增量以及PID控制的比例、積分、微分三個參數(shù)。是否有鍵入延時是否仍有鍵入確認按鍵，進展鍵盤處理完畢否開場是是否圖41 鍵盤防抖動流程圖4.1.2 顯示子程序本文為了使控制精度到達0.01，采用LCD，可以顯示到小數(shù)點后兩位，通過鍵盤，實現(xiàn)較為準確的控制效果。軟件設定4個顯示緩沖區(qū)，小數(shù)點后2位，小數(shù)點后1位，十位，存儲個位。 采樣前，先進展芯片的選擇即片選CS,隨后,必

44、須在時鐘CLK下降沿到之前對數(shù)據(jù)進展采樣最后，為了防止采樣中出現(xiàn)遺漏，在程序完畢前還需設計一段檢查程序，經(jīng)檢查采樣完成后，才能完畢程序是否片選CS=0，選擇通道時鐘CLK下降沿到之前，采樣數(shù)據(jù)下降沿到來讀取數(shù)據(jù)采滿完成.完畢開場轉換程序入口圖42 顯示子程序流程圖4.1.3 采樣子程序由于ADC0809工作電壓為：+5V，即VCC=+5V。所以ADC0809只能采樣0-5V的電壓，假假設輸入電壓超過5V則會損壞芯片。解決方法：可在輸出端，通過電阻分壓，這樣使得采樣的電壓總是小于5V，為了顯示輸出電壓值，在程序中采樣的電壓乘以一個分壓系數(shù)后再進展顯示，這樣顯示值代表輸出電壓，同時也可以防止芯片被

45、損壞。否是讀取有顯示的值放入顯示緩沖器中送LCD顯示顯現(xiàn)完成完畢開場圖43 AD轉化流程圖4.1.4 中斷處理程序設計89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory,與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。89C51系列單片機部有兩個16位的可編程定時器和，分別由和兩個8位計數(shù)器構成。T0和T1的定時功能是通過對單片機部計數(shù)脈沖的計數(shù)實現(xiàn)的。定時器控制存放器(TCON)和工作方式控制存放器(TMOD)分別控制定時控制定時器的運行和工作方式。 計算預置計數(shù)值在工作方式1的定時

46、時間計算公式為定時時間(65535計數(shù)初值)×機器周期 為獲取高的處理速度，采用24MHz晶振，一個機器周期為0.5u s。假設數(shù)初值為y，則有： TS= (65535y) × 0.5us如今開關電源工作頻率可到達299.99千赫茲，本文設計開關電源工作頻率為26千赫茲，則控制脈沖的頻率就是26千赫茲，周期為50us，定時時間為周期的一半，即25us，則計數(shù)初值為65535-25*2。*define time 65535-40time()TH0=time>>8;TL0=tim0;PWM=PWM 4.1.5 PID控制算法設計原理：采用單片機作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，

47、它是由89C52單片機系統(tǒng)通過A/D電路采集過程變量V1，并且根據(jù)有關算法控制變量u1，通過輸出PWM控制脈沖到執(zhí)行機構，使過程變量穩(wěn)定在設定的值上。PID調(diào)節(jié)規(guī)律通過數(shù)值公式，即： 近似計算。其中：為PID參數(shù)，y0為第三次采樣值，y1為之第二次采樣值，y2為第一次采樣值。，u1為控制量的增量，r1為設定值。轉換公式是12*255/12=255，即255對應12V，通過轉換之后就可以相互比較。開關調(diào)整電路89C51單片機A/D轉換器圖44 單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件模塊調(diào)試5.1.1 整流濾波電路的調(diào)節(jié)把這一模塊放在面包板上進展模擬：把電路連接后，接通電源，首先測量變壓器

48、的輸出，在交流檔位測得的電壓為12.96v，接著測量整流輸出的電壓，這里需要提醒的是整流橋的連接必須正確，不然整流輸出電壓會不正確乃至燒壞穩(wěn)壓塊。5.1.2 AD轉換的調(diào)試用穩(wěn)壓電源向轉換器提供一個5v電壓，改變電壓，觀測到隨著電壓的改變，數(shù)碼管的顯示值也隨之改變。再用萬能表測量電壓，發(fā)現(xiàn)測量值接近顯示值，可見模數(shù)模塊是正常工作的。5.1.3 脈沖輸出電路的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)脈沖直接輸入到開關管的基極的，我們在制板之前，用面包板模擬脈沖信號實驗是否可以直接控制開關管的導通和截止，假設使用開關管發(fā)射極輸出型變換電路，在發(fā)射極所輸出的脈沖信號，幅度會很小，效果不好，通常采用集電極輸出型開關電路。將電路連接好

49、，用示波器觀察基極輸入信號和集電極的輸出信號，觀察發(fā)現(xiàn)，輸入信號幅度較小，但是經(jīng)過開關后，在集電極的輸出信號，幅度明顯被放大，效果比較好，說明控制脈沖可以直接控制開關電路，信號穩(wěn)定。5.1.4 功率開關管的調(diào)試將做好的電路板放置好，防止和其他導體觸碰造成短路。然后，向功率開關管基極輸入控制信號，通過示波器波器觀察，使用鍵盤輸入不同的預置電壓，再用示波器另一通道觀測開關管集電極輸出信號后可觀測到5.2 電源的性能指標測試電源開關的技術指標通用事項、包括適用規(guī)格與電源名稱。電源開關平安規(guī)標準，是由電源用途不同，指標優(yōu)先考慮重點的同，但必須首先應考慮電源平安性。當前，很多國家都有相應開關電源平安規(guī)，

50、常用的國際平安規(guī)為IEC65、IEC950 。有關EMI的規(guī)格，國際上的規(guī)格為為CISPRPub11、Pub12。常見的開關電源電氣技術指標有： 1輸入電源頻率、相數(shù)：根據(jù)輸出的功率不同，可以用三相電源供電或單相。假設在輸出功率高于5kW可以用三相電源供電，來使三相負載均衡。我國電源頻率為50Hz。 2容許電壓波動、額定輸入電壓圍：我國電源額定相電壓為220V，線電壓為380V，在容許的輸入電壓波動圍都要保證輸出功率。 3額定輸入電流：指在額定輸入電壓和額定輸出功率時的輸入電流。4我國最大輸入電流：指在容許的下限輸入電壓和額定輸出功率時的輸入電流。 5我國輸入功率因數(shù)：指輸入有功功率與視在功率

51、的比值。 6額定輸出直流電壓：也叫標稱輸出直流電壓，指在額定輸出電流、滿足規(guī)定的穩(wěn)壓精度及紋波等指標時的最大輸出直流電壓。 5.2.1 電源的技術指標1輸入技術指標開關電源輸入技術指標包含額定輸入電壓及電壓的變化圍、頻率、輸入電源相數(shù)、輸入電流一般為3相3線制與單相2線制，以及3相4線制和單相3線制等。輸入電壓的變化圍一般為±10%，考慮配線路徑及各種實際問題，輸入電壓的變化圍一般為-15%到+10%。2輸出技術指標額定輸出電壓就是輸出端的直流電壓的公稱值，其公稱電壓規(guī)定有精度與紋波系數(shù)等。額定輸出電流是輸出端供給負載的最大平均電流。根據(jù)不同的設備，多路輸出電源中*路輸出電流值上升，

52、另路輸出電流值就必須下降，使得總輸出電流不變。穩(wěn)壓精度是電壓調(diào)整率或輸出電壓精度，輸出電壓變化原因非常多。輸出電壓可調(diào)圍就是在確保電壓穩(wěn)定精度的件下，外部所能調(diào)整的輸出電壓圍，多在±5%或±10%之間。條件是輸入電壓的下限時輸出電壓的最大值，以及輸入電壓的上限時輸出電壓的最小值9。3附屬功能過電流保護電流保護是輸出短路或者過負載時對電源或負載進展保護。保護特性有額定電流下垂特性；多數(shù)為下垂特；恒定功率特性，性恒流特性。一般為自動恢復型。開關電源的技術指標有特性指標和質(zhì)量指標。特性指標圍：出電壓、輸出電壓、輸出電流、最大輸出電流調(diào)節(jié)圍；質(zhì)量指標的效勞包含紋輸出電壓調(diào)整率和波電

53、壓。5.2.2 輸出電壓的測試測試時，先將負載電阻RL斷開，用萬用表測量電源的輸出電壓Vo，用鍵盤預置幾組電壓值，逐一測量，將測量值和數(shù)碼管顯示值進展比照，參加測量后發(fā)現(xiàn)輸出電壓跟隨鍵盤輸入的變化而改變10，且數(shù)碼管顯示值也同時改變并與測量結果相似，則電路的工作室正常的。測試電路如圖5.1所示，進展輸出電壓調(diào)節(jié)圍以及輸出電壓的測試時，均采用這個測試電路。步驟：第一調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，將輸入電源電路交流輸入電壓設為220v，在電源電路的輸出端，先出適宜負載電阻RL阻值來使電源輸出電流是規(guī)定值，第二步，取輸出電流為最大輸出電流的1/2，為1A，則取RL電阻值為12歐姆，觀察電流表讀數(shù)到達達1A后，用萬

54、用表測輸出電壓，測得輸出電壓為11.96v，在120.5這個圍，用鍵盤改變預置電壓，讓輸出電壓輸出值為最小值3v，這時調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電流，到達最小值，再次測得輸出電壓為3.1v，在35%的誤差圍，則所測量的輸出電壓圍為3.1v11.96v。其中， Vi為電網(wǎng)輸入電壓，Vs為電路輸入電壓11。整流濾波整流濾波ViVs電流表負載電壓表圖51 輸出電壓或者輸出電壓調(diào)節(jié)圍的測試電路5.2.3 最大輸出電流測試測試電路仍然按照圖5.1連接，測試步驟如下：調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路輸入電壓為Vmin=220*(1-10%)=198v,通過鍵盤預置最小電壓讓輸出電壓為最小值，負載電阻為1.5歐姆，輸出電流為最大值2A，測出電壓為3.2v，斷開和接通負載，觀測輸出電壓的變化情況，當負載從斷開到接通時，測出輸出電壓沒有改變，為3.3