1、摘要 開關電源以其效率高、體積小、重量輕等優勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的線性電源。電力電子技術的開展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速開展，將開關電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩定性和高性價比等特性。開關電源的高頻變換電路形式很多, 常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。本論文設計了輸出電壓范圍為85-165VAC，標識為220VAC的，測試范圍一般為175-265VAC的開關電源。經過屢次的測試與電路的調整、系統的各項功能均能正常實現。關鍵詞 ：開關電源，開關變換器,開關電路器，反響電路ABSTRACTWith the wide ap

2、plication of switching power supply in the computer, communications, aerospace, instrumentation and electrical appliances and so on, the growing demand for its people, and has put forward higher requirements for power efficiency, volume, weight and reliability. Switching power supply with its high e

3、fficiency, small size, light weight and other advantages in many respects gradually replaced the linear power supply, low efficiency, and the bulky. The development of power electronic technology, especially the rapid development of the high-power IGBT devices and MOSFET, increasing the working freq

4、uency of the switching power supply to a very high level, which has high stability and high performance characteristics. One of the main purposes of switching power supply technology is serves for the information industries. The development of information technology on power technology and put forwa

5、rd higher requirements, so as to promote the development of switch power supply. Many high-frequency transformation circuit switching power supply, commonly used with push-pull converter, full bridge, half bridge, forward and flyback etc. This paper is using the PWM switching power supplyKeywords: S

6、witching power supply, switching converters, inductors, filter capacitor目 錄第一章 緒論5556第二章 開關電源方案設計72.1 開關電源工作原理72.2 開關電源與線性電源的比擬8882.3 方案論證8892.3.3 方案39992.4 難點分析111111122.5 控制技術選擇13132.5.2 電流型控制技術13142.6 開關變換器結構分析與選擇141416162.7 開關電路器件參數選擇17172.7.2 濾波電容的選擇181818第三章 電路設計203.1 電源電路設計20202021213.2 控制電路設

7、計22232425第四章 軟件設計26262728294.5 PID控制算法3031總結32參考文獻33附錄 A34附錄 B42致謝43第一章 緒論選題的背景及意義近30年來，許多研究所、工廠及高校已研制出多種型號的開關電源，并廣泛的應用于電子計算機、通信、家電等許多方面，取得了很好的效果。工作頻率為100千赫茲-200千赫茲的高頻開關電源于80年代初期開始研制，90年代初試制成功，目前已經是非常成熟的電子產品。按調制方式劃分可以分為： 1脈寬調制型：振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖的寬度來改變和調節輸出電壓的大小。通過采樣電路、耦合電路構成閉合回路，來穩定輸出電壓。縮寫為PWM(Pulse W

8、idth Modulation)。 2頻率調制型：占空比保持不變或關斷時間不變，改變振蕩器的頻率來穩定并調節輸出電壓幅度。縮寫為PFMPulse Frequency modulation。 3混合調制型：通過調節導通時間的振蕩頻率來完成穩定并輸出電壓幅度。通常采用的是脈寬調制型和混合調制型兩種調制方式。在脈寬調制中因為頻率不變，所以無論是對電路中的磁性元件及晶體管的測試和設計都很方便，而且對射頻干擾的抑制也變得比擬容易。混合調制那么因其線路簡單，也得到了廣泛的應用。相對而言，頻率調制較少采用。本文中采用的是脈寬調制型。開關電源具有能耗小、效率高、穩壓范圍寬、體積小、重量輕等突出優點，在通訊設備

9、、數控裝置、儀表儀器、影音設備、家用電器等電子電路中得到了廣泛應用。開關穩壓電源被譽為“新型高效節能電源，它代表著穩壓電源的開展方向。由于內部器件工作在高頻開關狀態，因此本身消耗的能量極低，電源。效率可以到達80%以上，比串連調整線性穩壓電源的效率提高近一倍。隨著電源技術的飛速開展，開關穩壓電源正朝著小型化、高頻化、集成化方向開展，高效率的開關穩壓電源已得到越來越廣泛的應用。關電源的開展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各開關電源制造商都致力同步開發新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體(Mn-Zn)

10、材料上加大科技創新，以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小薄。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行創新，實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。對聯高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠性大大提高。(1、開關電源主電路的設計和參數選擇。(2)、IGBT電流、電壓額定的選擇。(3)、開關電源驅動電路的選擇。(4)、開關變壓器設計。(5)、

11、畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖。(6)、電路仿真分析和仿真結果。第二章 開關電源方案設計2.1 開關電源工作原理開關電源是指調整管工作在開關方式，即導通和截止狀態的穩壓電源，縮寫為SPSSwitching Power Supply。開關電源的核心局部是一個直流變換器。利用直流變換器可以把一種直流電壓變成極性、數值不同的多種直流電壓。 圖2.1所示電路的工作過程為：假設基準電壓為5v，由于電網波動導致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會減少，此時，所采樣的電壓將減小，假設為4.9v，誤差為0.1v，經過比擬放大后，脈沖調制電路根據這個誤差，提高占空比使輸出電壓增大，同理，當由于電網波動導致輸

12、出電壓增大時，脈沖調制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩定。整流濾波電路開關管濾波電路采樣電路比擬放大脈沖調寬輸出輸入基準電壓按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關電源與線性電源兩大類。線性電源是開展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區。開關電源是在線性電源的根底之上開展起來的，并在很大程度上克服了線性電源的缺陷，但其自身也有一定的缺乏。2.2 開關電源與線性電源的比擬1功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；2體積大、重量大，不能小型化；3必須有較大容量的濾波電容。造成這些缺點的原因是：1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

13、線性放大區。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成正比。這樣功率晶體管的功耗就會隨電源的輸出功率的增加而增大。為了保證功率晶體管能正常工作，除選用功率大的管子外，還必須給管子加上較大的散熱片。2線性電源使用了50赫茲的工頻變壓器，他的效率只有80%-90%。這樣不但增加了電源的體積和重量，而且也大大降低了電源的效率，就必須增大濾波電容的容量。1功耗小，效率高。圖2.1中，開關管V在脈沖信號的控制下，交替工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態，轉換速度快，頻率一般在50到200千赫茲。這就使得功率開關管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以到達80%以上。2體積小，重量輕。由于沒有采用大型的

14、工頻變壓器，并且在開關管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關電源的體積和重量都可以得到減小。3穩壓范圍寬。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節的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調寬來進行補償。在工頻電網電壓有較大變化或負載有較大變化時，它仍能保證有較穩定的輸出電壓，所以穩壓范圍寬、穩壓效果好。4濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。例如，假設開關電源的工作頻率為25千赫茲，是線性穩壓電源頻率500倍25000/50赫茲，這使濾波電容的容量可以相應的縮小500倍，這使濾波電路中元件的體積和重量得以減少，同時也節省了本錢。2.3 方案論證單

15、片機控制的開關電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。方案1：單片機通過數模轉換輸出一個電壓，用作電源的基準電壓，電源可以通過鍵盤預置輸出電壓，單片機不參加反響控制，電源仍要使用專門的PWM控制芯片，工作過程為：當通過鍵盤預置電壓時，單片機通過D/A芯片輸出一個電壓作為控制芯片的基準電壓，這個基準電壓可以使得控制芯片按照預置電壓值，來輸出控制脈沖，以輸出期望輸出電壓。方案2：在方案1的根底上，單片機擴展模數轉換器，不斷的檢測電源的輸出電壓，根據電源輸出電壓與設定值的差值，調整后，通過D/A芯片輸出一個基準電壓，控制專門的PWM控制芯片，間接的控制電源工作。2.3.3 方案3方案

16、3：單片機擴展A/D轉換器，不斷檢測輸出端的電壓，并根據電源輸出電壓與鍵盤預置電壓的差值，輸出一個PWM脈沖，直接控制電源的工作。分析方案1分析：單片機沒有參加反響控制，只是輸出一個基準電壓，這樣單片機的作用非常的小，而且仍要使用專門的控制芯片，價格比擬貴，電源本錢增加，削弱了單片機的作用，不宜采用。方案2分析：單片機參加了反響控制，作用得以利用，但是需要擴展A/D和D/A芯片，而且還是需要專門的PWM控制芯片，本錢比方案1更高，更不宜采用。方案3分析：這個方案，單片機不僅參加了反響控制系統，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

17、，本設計選擇第三種控制方案，單片機使用89C51，A/D芯片采用ADC0832，采用4位數碼管顯示采樣值，鍵盤預置電壓，設計任務要求輸出可調，所以設定值需要從鍵盤輸入，實現輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電壓。系統工作原理圖如圖2.2所示：市電經過整流濾波后，一路電壓經過7805穩壓得到一個+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。單片機根據鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據模/數轉換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比擬，根據差值調用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩定。開關變換器采用磁鐵心

18、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的電壓，通過ADC0832送進單片機進行處理，單片機根據處理結果輸出更新的控制信號，經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。在本系統中，用戶可以根據需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片時機根據鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應電壓，更新脈寬后，單片時機馬上調用PID控制算法，對輸出電壓進行穩定控制。 閉環時，電源自動進行脈寬調制，當系統讀取到鍵盤預置的電壓變化時，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比擬，假設當前鍵盤輸入為10v，從輸出端取樣的值為6v，差值為4v

19、，那么系統會根據這個差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為10v；同樣，當鍵盤輸入為6v，輸出端取樣值為10v，差值為-4v，系統會根據算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統脈寬調制過程。同時，電源可以自動穩壓，假定在某一正常狀態下，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，單片機不進行脈寬更新，當電網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，從而使輸出電壓上升，如此循環來進行穩壓。整流

20、濾波電路開關變換電路整流濾波電路控制電路輔助電源四位數碼管取樣電路鍵盤圖2.2 單片機控制開關電源系統框圖2.4 難點分析困難分析：現代開關電源的工作頻率已經可以到達300千赫茲，本次設計雖然采用了24M赫茲的晶振頻率，可以通過單片機定時輸出40千赫茲的頻率，但是開關電源要求的是單片機的處理速度要足夠快，51系列的單片機，即使使用24M的晶振，相對于開關電源需要很快開關工作頻率，它的速度仍是比擬慢的，而且這里單片機還需要做采樣電壓，掃描鍵盤，PID控制等等很多的工作，那么單片機就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機可以通過定時器中斷產生40千赫茲的頻率，但是定時器中斷產生的脈沖的有效電平，即

21、占空比是不能夠改變的，只能是50%，要設計輸出可調的開關電源，顯然行不通。解決方法：現在的問題在于單片機輸出的脈沖占空比無法改變，硬件更改，只能是更換處理速度高的單片機，但是本錢又增加了，而且還不一定比使用專門的PWM控制芯片的控制性能可靠，所以在此選擇在軟件上解決，具體思路為：首先定義兩個變量，一個周期T，一個占空比D，給它們賦值，T大于D，先讓單片機I/O輸出高電平，讓T，D同時計數，當D計算到預計值，I/O口為低電平，然后低電平一直延續到T值時，I/O口輸出高電平。改變D，T的值可以改變脈沖頻率，改變D值可以控制占空比。算法需要使用定時器，根據電源的工作頻率設定定時時間。算法為：D=10

22、0，T=1000；/定義變量，并賦值，占空比為100/1000=10%VOID tim0 ()/定時中斷D+;/同時計數 T+; IfD=100P1.0=0；/D到預計值，輸出低電平 If T=1000P1.0=1；/T到預計值，輸出高電平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。使用儲能電感目的在于，在功率開關管截止時，為負載存儲能量，電氣上的作用是把開關方波脈沖積分成直流電壓。本次設計儲能電感的磁體要求為工作頻率為100千赫茲，直流電阻小于0.3歐姆，飽和電流大于2A。需要自己繞制，所需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，根據設計前

23、輩們的經驗，估計為開關周期的30%是比擬適宜的。代入數據求得，取電感的設計方法為 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，為導線的電流密度，為繞組填充因數，0<。，為鐵心中的磁通密度。計算出值，對照鐵心產品手冊，選擇大于值的產品，即可查得對應的鐵心截面積，由式確定繞組匝數。 本次設計使用了ADC0832，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的數字量，而用戶從鍵盤輸入的是電壓值，為了進行比擬，需要經過標度轉換，轉換為數字量，以得到同樣的單位量綱。控制系統檢測的被控對象的參數有著不同的量綱和數值。所有這些參數都需要

24、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字量。由于不同參數的變化范圍和量綱是不同的，因此同樣的數字量表示的模擬量可能是不同的。如同樣是數字量255，可能表示的是5V的直流電壓，也可以表示其他的量；即使是相同的量綱，如果變化范圍不同，相同的數字量表示的模擬量也是不同的，數字0所以控制系統在進行顯示、打印、記錄和報警等操作時，必須把這些數據轉換成相應的不同量綱的物理量。這就是標度變換技術。本次設計的標度轉換為：鍵盤輸入為：0到12V；采樣0到5V電壓對應數字量為0到255 變換程序：r=input*255/12;/input為鍵盤輸入值,r為轉換后的數字量

25、就是說使預置的0到12v的轉換為0到255的數字量，這樣單片機系統才能夠進行正確的比擬處理。2.5 控制技術選擇從自動控制理論的角度來說，目前應用相當的廣泛的傳統的脈寬調制PWM型開關電源只對輸出電壓進行采樣，作為反響信號來實現閉環控制。這種控制方法屬于電壓控制型，這是一種單環控制系統。第一塊功能完全的電壓控制型脈寬調制電路是1976年問世的SG3524，緊接著各公司又相繼推出了多種電路，例如TL494、SG3525等等。它們的功能更多、截止頻率更高、功耗更小。但是它們的根本工作原理都是相同的。電源的輸出電壓與參考電壓比擬放大，得到誤差信號，又和三角波信號比擬后，脈沖比擬器輸出一系列脈沖，這些

26、脈沖的寬度即隨著誤差信號的變化而變化，這就是電壓控制型PWM控制原理。本次設計采用的是單片機進行PWM控制，用軟件實現反響電壓和設定電壓的比擬，根據誤差值，通過PID算法處理，修改控制脈沖占空比，控制電源輸出一系列脈沖。但是電源中的電流總是會流過電感的，對于電壓信號將有90度的相位延遲，對于整個穩壓系統來說，實際上需要不斷調節是輸入電流，以攝影輸入電壓和負載變化從而保持輸出電壓穩定的要求。這種采樣輸出電壓的方法實現控制，響應的速度較慢、穩定性差，甚至在大信號變動時產生振蕩，造成功率開關管的損壞。2.5.2 電流型控制技術針對電壓型控制的缺乏，可以采用電流型控制技術，它是在電壓控制型的根底上，增

27、加電流反響環，使其成為一個雙環控制系統，讓電感上的電流不再是一個獨立的變量， 電流型開關電源變換器是一個雙環控制系統，內環為電流控制環，外環為電壓控制環。當開關管導通時，流經電阻的電流與流過輸出濾波電感的電流成正比。從輸出采樣的電壓信號加到誤差放大器的反向輸入端，正相輸入端為基準電壓，其誤差經放大后的電壓加到PWM比擬器的反向端，當加在比擬器正相端的正比于的電流取樣信號三角波，其頻率決定開關頻率升到時，比擬器輸出端輸出一個正脈沖加至鎖存器的復位端，鎖存器的反向端輸出便使得開關管截止。當發生變化導致變化時，或變化導致變化時，便使比擬器輸出脈沖相對于時鐘脈沖在時間上提前或滯后，從而改變開關管的占空

28、比實現PWM 控制，到達穩壓的目的。因此，變換器的內環是一個恒流源。與電壓型控制相比，電流型控制有以下優勢：1對輸入電壓變化的響應快；電網電壓的變化，必然會引起電流的變化，假設電壓升高，那么電流增長變快，反之那么變慢。當電流脈沖到達預定的幅度，電流控制動作就會開始，控制脈寬發生變化來進行穩壓。對于電壓型控制，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反響，要等到電壓發生較大的變化后，才會進行處理，所以響應速度慢。2過流保護；由于采用了直接的電感電流峰值技術，它可以及時，準確的檢測輸出和開關管電流，自然形成了逐個電流脈沖檢測電路，通過給定一個參考電流，就可以準確的限制流過開關管的最大電流，當輸出超載或短

29、路時，自動的保護電路，同時也可防止電網浪涌所產生的尖峰電流損壞電路器件，這樣設計電路時就不需要考慮留什么余量，能節省一些本錢。3回路穩定性好，負載響應快電流型控制是一個輸出電壓控制的電流源，電流源的大小反映了輸出電流的大小。因為電感中電流脈沖的幅值與負載電流的平均值是成比例的，這樣電感的相位延遲就不存在了。2.6 開關變換器結構分析與選擇 開關電源的核心是高頻開關變換電路和脈沖控制電路。高頻變換電路把直流輸入變換成高頻脈沖輸出。輸出電壓平均值,控制電路根據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。隔離電路采用高頻變換器件和高頻隔離變壓器。開關電源的四中組態為：1Buck

30、變換器；2Boost變換器；3Buck-Boost變換器；4CUK變換器。這種開關型電源是直流供電，經過開關電路得到單方向方波，再經過濾波后又得到與輸入電壓不同的穩定的直流。它們的輸出電壓總是比輸入電壓低。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供應負載，此時，續流二極管正向導通，構成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。電路中開關管和負載電阻是串聯的，所以也稱它為串聯開關電源。 圖2.3 Buck變換器當開關管導通時，電感上的電流處于最小值，此后電感電流開始上升，但電流仍低于負載電流Io，于是電容仍向負載供電，

31、因此輸出電壓下降。當電感電流上升到等于Io時，電容停止向負載供電，此時輸出電壓到達最小值。隨著電感電流的繼續上升，電容開始充電，從最低值開始上升。當開關管截止時，電感上電流處于最大，此后電感上電流開始下降，但電流仍比Io大，所以電容仍處于充電狀態，輸出電壓繼續上升。當電感電流下降到Io時，電容停止充電，此時電容上電壓到達最大值。隨著電感電流的下降，電容開始放電，由最大值逐漸開始下降。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，那么,其中為開關的脈沖占空比。假設開關管一直處于導通狀態，截止時間為零，那么；假設開關管一直截止，導通時間為零，那么，隨著與的比例不同，輸出電壓為0之

32、間的各種值。下面具體分析該電路的工作過程：開關管導通時，發射極上的電壓為 (1)式為開關管飽和壓降，為輸入電壓，那么電感電壓為,為電感電流，那么在經歷以后，開關管截止，此時電感電流最大，電流值為 2式在這一瞬間，電感儲能為： ，輸入電壓通過電感對電容充電，充電的電量為 3式在此期間，輸入給電路提供的能量為 4式4式經過變換得：/即是電感中儲存的磁能和電容儲存的電能。可見，輸入電能完全轉換為電路的能量，效率很高，正是開關電源的優勢所在。當開關管截止后，電感電流不能突變，電感產生感應電勢，使得續流二極管導通，電感通過電路向負載釋放能量，設二極管正向導通壓降為，根據電路知識，可知電感上的電壓與輸出電

33、壓、二極管壓降之間有這樣的關系：電感電流將從最大值一直減少為0，電感所儲存的磁能將轉化為電源的電能，假設磁能完全轉換為電能，那么可以通過下面的式子算出電感電流由最大值減為0的時間， (5)式開關管截止期間電容的充電量為 6式續流二極管的作用是使電感電流在開關管截止時能連續變化，這樣電感存儲的能量才能夠轉化為電容中儲存的電能。由此可見，如果要控制信號的每一個脈沖都能完全的工作，應有，也就是讓電感在導通期間存儲的能量，能在時間內，完全釋放給電路。根據能量守恒定理，電感中的磁能轉化為電能，對電容再次充電，那么輸入電能應等于導通時電容所充電能加上電感的磁能，即 7式代入4式得 8式可見，當導通時間越大

34、或者脈沖周期越小，輸出電流越大，當需要提高電源輸出功率時，可以提高開關管的工作頻率。升壓式開關電源的輸出電壓總是高于輸入電壓Ui，并且極性是相同的。當開關管飽和導通時，電感進行儲能。當開關管截止，電感中的電能通過續流二極管供應負載，同時對電容C充電。當負載電壓下降時，電容再次放電，這時可獲得高于輸入的穩定電壓。由于開關管和負載是并聯的，也稱它為并聯開關電源。Buck-Boost型變換器極性變換式電源輸出電壓與輸入電壓極性是相反的，輸出電壓的絕對值還要高于輸入電壓的絕對值，否那么將和降壓式開關電源混淆，由此可見，極性變換式開關電源是上述降壓式和升壓式電源的綜合。當開關管導通時，輸入電壓加在電感上

35、，產生電流，電感進行儲能，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。這4種開關電路有各自的特點，本次設計任務要求電源在3到12伏內可調，而輸入電壓為14.4V，所以采用降壓型開關變換電路，即Buck變換器，通過調制輸出占空比為0到90%的一系列脈沖，使電源在要求范圍內可調。2.7 開關電路器件參數選擇 開關管是整個電源主要的工作器件，正確的選用，是電源成功制作的前提。首先，開關管的截止時間不宜過長，假設截止時間過長，當開關管的上一個控制脈沖已經結

36、束，而下一個控制脈沖已經到來時，會造成開關管還沒有完全關斷，馬上就進入下一個導通周期，這樣開關管幾乎是一直在導通，開關完全失去控制，功耗和輸出電壓會迅速增加，造成電源的損壞。其次，開關的導通時間也不宜過長。當開關頻率較高時，開關管導通和截止的頻率頻繁，導通時間長，意味著開關管有更多的時間是在放大狀態下工作開關導通后是利用晶體管的放大作用而工作的，這樣開關管的功耗就會迅速增加，電源的效率將大為下降。，截止時間不宜超過1。在開關管導通時，負載電流以及濾波電容的充電電流均通過開關管提供，因此，開關管的集電極電流必須大于輸出的負載電流，集電極電流的計算如下：電感電流的平均值等于負載電流，那么有，流過開

37、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 9式流過開關管的最大電流應等于電感電流的最大值，那么 ，額定輸出電流為，算出集電極電流小于在開關管截止時，電源的全部輸入電壓都加在開關管的集電極和發射極兩端。所以其耐壓值就必須大于集電極的輸入電壓，同樣考慮到電網波動和開關瞬間濾波電感所產生的浪涌電壓，取其耐壓值為輸入電壓的2倍。，那么開關管耐壓應大于2，根據數據手冊，選擇的晶體管型號為D882，耐壓值40V，集電極電流3A，功率10W。2.7.2 濾波電容的選擇電容的濾波原理是：利用電容在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比擬平滑。濾波一方面盡量降

38、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。濾波電容決定輸出電壓的紋波，電源通電后，電容器充電，電壓值迅速上升到最大值，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，那么有 10式任務要求為脈沖頻率為25千赫茲，即周期為，取電容量為470的鋁電解電容。開關管飽和導通時，其飽和壓降可以忽略，那么電感感應電動勢為 11式 12式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，取，為負載最小電流。代入式11得 ，根據 ，那么電感的

39、計算為 13式負載電流最小值為0.5安，,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。根據變換器的工作原理，開關截止時，續流二極管導通，電感的磁能轉換為電能，二極管起到續流的作用，二極管正向額定電流須大于負載電流，其耐壓值必須大于輸入電壓，同時為了使二極管的截止到導通的轉換時間盡量的短，選擇超快恢復二極管，根據本次設計的要求，選擇電流大于耐壓大于30的肖特基二極管。第三章 電路設計3.1 電源電路設計開關電源設計包括輸入整流濾波電路、開關變換電路、輸出整流濾波電路、采樣電路，保護電路。市電經過變壓器降壓后，變為12v，對

40、該電壓整流后一局部電壓直接作為開關變換電路的輸入電壓，另外將其通過7805得到5v的電壓，給開關電源控制電路局部的單片機提供工作電源。電路中采用發光二極管作為電源指示燈，交流220v降壓后經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穩壓輸出5v給單片機提供電源。功率開關管采用達林頓管，由于它采用兩個三極管進行級聯，其放大倍數是兩個管子放大倍數的乘積，因而具有很高的放大倍數，通過級聯，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。該開關管選擇為PNP型，當控制脈沖的低電平時，開關導通，電感存儲能量，開關把電路的輸入電壓變成高頻脈沖，當控制脈沖為高電平時，開關截止，電

41、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，選用肖特基二極管作為續流二極管選用，這種二極管具有較快的導通截止恢復時間，在開關導通變為截止時，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。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用低串聯等效電阻的優質電容，另外，可以通過并聯兩個電容來獲得低的等效串聯電阻，假設輸出濾波電容選擇為470UF，那么可以取大于該數值一半多的電容量的電容來并聯，例如，可以取兩個250UF的電容，來并聯。圖3.2 開關電路與輸出整流濾波電路開關控制電路是根據輸出的變化對開關電路進行控制的，因此需要設計分壓器，通過反響可以使輸出電壓保持穩定。反

42、響分壓電阻確實定：設檢測電流為1mA，模數轉換器的基準電壓為5v，輸出電壓12v，分壓器的下臂電阻這樣計算：R2=5v/0.001A=5千歐姆，考慮到電阻有一定的誤差，假設電阻為1%的誤差，即5千歐姆的電阻，其電阻值為4.99千歐姆，那么實際的檢測電流就可以計算出來：Is=5v/4.99k=1.002mA,這樣分壓器上臂電阻為：R1=12-5/1.002mA=6.99k。這樣分壓器設計完成，在這里選用串行模數轉換器ADC0832來采集電壓，并反響到單片機，該轉換器的基準電壓和它的電壓一樣，均為正5伏。如圖3.3所示，在實際應用中常常會出現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

43、秀的產品，應該具有良好的保護功能，過壓保護是一個很好的選擇，在這次設計中，考慮到本錢問題，采用過電流保護。其原工作理為：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,三極管作為過流控制管，當開關電源負載電流時，過流控制三極管導通，電源輸出電壓由過流控制管集電極輸出，觸發晶閘管導通，將開關電源負載短路，實現保護。該電路有自鎖功能，一旦負載電流增大的持續時間超過C1的充電時間，電路觸發后，即使負載電流恢復正常，也不能解除保護狀態，必須關斷電源，排除過流因素，晶閘管才能復位。電路中Ro阻值的選擇根據負載電流保護閾值而定，一般Ro取電阻值極小，在開關電源正常負載電流時

44、其壓降缺乏0.3v。R1和C1構成保護啟動延時電路，以免開機瞬間負載電流沖擊造成誤動作。下列圖中，電感和輸出端電容之間的局部是保護電路。圖3.3 過流保護電路3.2 控制電路設計 控制電路采用89c51，該芯片有32個可編程的I/O口，在此介紹需要用到的單片機管腳功能。 RST：復位輸入，當振蕩工作時，RST引腳出現兩個周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，ALE地址鎖存允許輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。即使不用訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或定時目的。需要注意的是：每當訪問外部存儲器時將跳過一個ALE

45、脈沖。EA/VPP：外部訪問允許。當訪問外部存儲器時，EA必須保持低電平。訪問內部存儲器時，EA端接高電平。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、振蕩器的工作穩定性、起振的難易程度及溫度穩定性，如果使用陶瓷振蕩器，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。復位電路單片機復位電路有上電復位，按扭脈沖復位，按扭電平復位。上電復位是利用器充電實現。電阻取1k，電容取22uf。本次設計在調試過程中使用的是89S51，該單片機與MCS51系列完全兼容，工作頻率0到33M赫茲，支持系統編

46、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，均可以從網上獲取。 反響電路使用ADC0832采樣輸出電壓，該器件只能轉換0到5伏的電壓，超過了會燒毀芯片，當要采集大的電壓時，可以通過電阻分壓再采樣，在程序中再乘以一個分壓系數，以代表輸出電壓值。圖3.4 ADC0832管腳圖串行接口8位A/D轉換芯片ADC0832具有串行輸入輸出的A/D轉換芯片，與單片機的接口僅用幾根通用I/O，所以接線簡單而得到越來越多的應用，8051單片機由于位操作功能比擬強，便于軟件實現串行A/D轉換芯片接口程序，大大簡化電路設計提高可靠性。ADC0832是串行接口8位逐次逼近A/D轉換芯片，單5V供電且兼作基

47、準電壓，當CLK=500KHz時轉換時間為16S，具有2路單端或1路差分輸入。其管腳排列如下圖。CS為片選信號輸入端，低電平有效，高電平模數轉換停止。每次模數轉換，CS必須由高變低，然后輸入控制字信息。CH0為模擬量輸入通道0；CH1為模擬量輸入通道1；DI為數據信號串行輸入端；DO為數據信號串行輸出端；CLK為時鐘信號輸入端。數據在CLK的上升沿移入，在CLK的下降沿移出；GND為接地端，VCC接+5精密電源，同時也作為轉換的參考電壓。 控制字格式為：D0為工作方式選擇位，D0=1；D1為工作方式選擇位，D1=0，選擇差分輸入方式，D1=1，選擇單端輸入方式；D2為通道選擇位，差分輸入方式時

48、，D2=0，選擇CH0-CH1；D2=1，選擇CH1-CH0。圖3.5 ADC0832與單片機的接口電路其中2K電阻是為了保護芯片而設置的，當電壓突然增大幅度不是很大時，能起到保護作用。單片機的P1.0用于輸出PWM控制脈沖，P1.1用于作為模數轉換的時鐘，P1.2用于讀入數據，P1.3作為片選端，低電平有效。本系統中采用4位數碼管顯示，動態掃描，軟件譯碼實現預置電壓、輸出電壓以及PID參數的實時顯示。LED數碼管有共陰極和共陽極兩類。共陰極LED數碼管的發光二極管的陰極共地，某個發光二極管的陽極電壓為高電平時，二極管發光：而此陽極LED數碼管是發光二極管的陽極共接，當某個二極管的陰極電壓為低

49、電平時，二極管發光。圖3.6 四位數碼顯示電路圖3.6是一個4位動態LED顯示電路：4位動態LED顯示電路的段選由單片機的P0口來完成，位選那么由單片機的P2口的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4來完成。由于所有位的段選碼用同一個Io口控制，因此，要顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即每時刻，只選通一個顯示位，同時段選控制Io 口輸出顯示字符對應的段選碼，使該位顯示相應字符，顯示一定時間后，再選通下一顯示位。如此循環，且每個顯示器件顯示該位應顯示的字符。通過程序控制，不斷循環輸出相應地段選碼和位選碼，由于人的視覺暫留效應，就可以獲得視覺穩定的顯示狀態。本次設計使用的是共陽型數碼管，測試

50、管腳資料時，為防止電壓過大測試時，燒毀數碼管，使用穩壓電源提供3v電壓，進行測試，。經測試得該數碼管的管腳資料為：1-E、2-D、3-DP小數點、4-C、5-G、6-第4個數碼管的COM、7-B、8-第3位數碼管的COM、9-第2位數碼管的COM、10-F、11-A、12-第1位數碼管的COM。 本文鍵盤采用8個按鍵，由軟件定義功能，行鍵盤與單片機的P2.3、P2.2相連，列鍵盤與單片機的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4相連。鍵盤設計需解決的幾個問題 鍵盤是假設干按鍵的集合,是向系統提供操作人員干預命令的接口設備.鍵可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型.前者能自動識別按下的鍵并產生相應代碼

51、,以并行或串行方式送給CPU。它使用方便,接口簡單,響應速度快,但價格高.后者那么通過軟件來確定按鍵并計算鍵值.這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快,但它價格廉價,組態靈活,因此得到廣泛的應用.設計時必須解決下述一些問題。1.按鍵確實認鍵盤實際上是一組按鍵開關的集合,其每一個按鍵就是一個開關量輸入裝置.鍵的閉合與否,取決于彈性開關的合,斷兩個狀態,反響在電壓上就是呈現出高電平或低電平,假設高電平表示斷開,那么低電平說明鍵閉合.所以,通過電平狀態(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進行判斷的。判斷按下的是哪一個鍵的方法是：將列選

52、線依次置為低電平，然后檢查所有行線狀態，如果不全為1，那么按下的鍵在這一列，而且是在與低電平行線相交交點上的那個鍵；如果全為1，那么按下的鍵不在此列。因為鍵盤在按下過程中會產生抖動，單片機可能錯誤地認為是按下幾次，這樣會造成誤操作，因此在鍵盤處理程序中要加延時去抖動程序。 由于鍵盤本身的構造或者不標準的操作都會導致鍵盤抖動，鍵盤抖動會影響數值的正確輸入，造成錯誤的操作，要防止。第四章 軟件設計 單片機控制系統軟件設計思路：系統掃描鍵盤輸入，當鍵盤有輸入，系統立即會做出響應，根據采樣電壓與鍵盤輸入之間的差值，更新脈寬，輸出用戶期望的電壓，隨后系統仍掃描鍵盤，當沒有再次輸入時，系統調用PID控制算

53、法，控制輸出電壓穩定。電源額定電壓為12v，初始化把設定值設為12.00v，系統掃描鍵盤時，假設與該電壓相等，系統調用PID算法，在系統每次調用PID控制算法前，假設有鍵盤輸入，系統優先響應鍵盤輸入，更新脈寬。軟件子程序包括：1鍵盤和數碼管掃描子程序，2ADC0832轉換子程序，3定時器0中斷產生方波子程序，4PID控制子程序，5定時器1中斷修改占空比、進行PID控制、數碼顯示子程序。按鍵操作過程中,往往無意中同時或先后按下兩個以上的鍵或者連擊,發出錯誤的指令，為了防止這種情況，在程序中進行兩次判斷，以確認按鍵。即先判斷當前是否有鍵按下，有鍵按下，延時，再次判斷是否仍有鍵按下，假設仍有鍵按下，

54、確認按鍵，進行鍵盤處理。任務要求有電壓預置功能，在程序中將八個按鍵分別定義為：加1，加10，加100，向上切換鍵，減1，減10，減100，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。程序開始是否有鍵入延時是否仍有鍵入確認按鍵，進行鍵盤處理程序結束圖4.1 鍵盤防抖動流程圖為了使得控制精度到達0.01，采用4位數碼管，可以顯示到小數點后兩位，通過鍵盤，每次增加步長0.01，實現較為精確的控制效果。軟件設定4個顯示緩沖區，存儲個位，十位，小數點后1位，小數點后2位。 轉換程序入口片選CS=0，選擇通道 在第4個時鐘CLK下降沿到來之前，采樣數據下降沿到來讀取數據采滿8位？返回圖4.2 顯示子程序流程圖由于ADC0832只能采樣0-5V的電壓，超過會損壞芯片，在輸出端，通過電阻分壓，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后在進行顯示，這樣顯示值代表輸出電壓，同時也保護了芯片。入口讀取有顯示的值查表讀取段碼送段碼，并掃描P2掃描完否返回圖4.3 AD轉化流程圖89C51系列單片機內部有兩個16位的可編程定時器和，分別由和兩個8位計數器構成。T0和T1的定時功