畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、i 摘 要 【摘要】本次設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)一個開關(guān)電源，開關(guān)電源在日常生活中應(yīng)用非 常廣泛，比如電視機(jī)、電腦、冰箱以及其他常用的電子產(chǎn)品都需要開關(guān)電源，如今是 數(shù)字化時代，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品十分方便，所以在這次設(shè)計(jì)中使用了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 在這次設(shè)計(jì)文檔中，詳細(xì)闡述了開關(guān)電源與線性電源的比較，方案論證，總體結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，并附以相關(guān)電路圖表示，最后生成相關(guān)了 pcb 電路圖 【關(guān)鍵詞】線性，半導(dǎo)體，開關(guān)，儲能，轉(zhuǎn)換，控制，濾波，分壓，抖動 【abstract】this design of zhuyaomude is to achieve a switching power supply, swit

2、ching power supply is widely used in daily life in, such as televisions, computers, bingxiangyiji other changyong of electronic products require power supply, ru jin hua shi dai digital, electronic products achieved with dan pianji very convenient, so the design used in this mcu. in this design docu

3、ment, detailed in the switching power supply with linear power supply comparison, program demonstration, the overall structural design, along with the relevant circuit that generates the final circuit diagram related to the pcb 【keywords】 linear, semiconductors, switches, energy storage, conversion,

4、 control, filtering, partial pressure, jitter 目 錄 摘摘 要要.i 緒緒 論論.1 第一章第一章 概述概述.2 1.1 課題來源及意義.2 1.2 課題基本要求.2 第二章第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì)開關(guān)電源方案設(shè)計(jì).4 2.1 開關(guān)電源工作原理.4 2.2 開關(guān)電源與線性電源的比較.4 2.2.1 線性電源的缺點(diǎn) .4 2.2.2 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn) .5 2.3 方案論證.5 2.3.1 方案 1 .5 2.3.2 方案 2 .6 2.3.3 方案 3 .6 2.3.4 方案分析 .6 2.3.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .6 2.4 難點(diǎn)分析.7 2.4.1

5、 如何提高電源工作頻率 .7 2.4.2 儲能電感的繞制 .8 2.4.3 標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù) .9 2.5 控制技術(shù)選擇.10 2.5.1 電壓型控制技術(shù) .10 2.5.2 電流型控制技術(shù) .10 2.5.3 電流控制型技術(shù)的優(yōu)勢 .11 2.6 開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇.11 2.6.1 降壓變換電路分析 .11 2.6.2 升壓型變換電路 .13 2.6.3 buck-boost 型變換器.13 2.7 開關(guān)電路器件參數(shù)選擇.14 2.7.1 功率開關(guān)管的選擇 .14 2.7.2 濾波電容的選擇 .15 目錄 iii 2.7.3 儲能電感的選擇 .15 2.7.4 續(xù)流二極管的選擇 .16

6、第三章第三章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì).17 3.1 電源電路設(shè)計(jì).17 3.1.1 整流濾波電路 .17 3.1.2 開關(guān)變換電路 .17 3.1.3 分壓電阻的計(jì)算 .18 3.1.4 保護(hù)電路 .18 3.2 控制電路設(shè)計(jì).19 3.2.1 反饋電路設(shè)計(jì) .20 3.2.2 四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì) .21 3.2.3 單片機(jī)與鍵盤接口電路設(shè)計(jì) .22 第四章第四章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì).23 4.1 總體編程思想.23 4.1.1 鍵盤防抖動子程序 .23 4.1.2 數(shù)碼顯示子程序 .24 4.1.3 采樣子程序 .25 4.1.4 中斷處理程序設(shè)計(jì) .26 4.1.5 pid 控制算法.2

7、7 4.1.6 數(shù)字濾波 .28 第五章第五章 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試.29 5.1 硬件模塊調(diào)試.29 5.1.1 整流濾波電路的調(diào)試 .29 5.1.2ad 轉(zhuǎn)換的調(diào)試.29 5.1.3 脈沖輸出電路的調(diào)試 .29 5.1.4 功率開關(guān)管的調(diào)試 .29 5.2 電源性能指標(biāo)的測試 .30 5.2.1 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo) .30 5.2.2 輸出電壓的測試 .31 5.2.3 最大輸出電流的測試 .32 5.2.4 過流保護(hù)的測試 .32 5.2.5 電壓調(diào)整率的測試 .32 5.2.6 紋波電壓的測試 .33 物理與電子工程系畢業(yè)論文 iv 第六章第六章 結(jié)論結(jié)論.34 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).35

8、致致 謝謝.36 附附 錄錄.37 緒 論 1 緒 論 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率開關(guān)管（mosfet；三極管）的 導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。它是在電子、計(jì)算 機(jī)、通信、電氣、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種電力電 子裝置。具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu) 點(diǎn)。 本文中研究的單片機(jī)控制開關(guān)電源，可以通過鍵盤預(yù)置期望輸出電壓值， 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進(jìn)行采樣，由軟件控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖寬度，對 開關(guān)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出預(yù)期的電壓。并采用 pid 算法控制輸出電壓穩(wěn)定， 構(gòu)成可輸出 3v 到 12v 的可調(diào)電壓

9、，并顯示實(shí)時電壓和預(yù)置值，通過鍵盤可隨時 修改 pid 參數(shù)以優(yōu)化控制效果，并該系統(tǒng)可以給芯片提供工作電壓，加以擴(kuò)展 可構(gòu)成輸出正負(fù) 3 到 12 伏的雙極性電源。 單片機(jī)控制的開關(guān)電源具有設(shè)計(jì)彈性好的優(yōu)點(diǎn)，可以按照設(shè)計(jì)者的思想靈 活的工作。目前電子設(shè)備的日益小型化需要供電電源的小型化，這樣制作小型 化電源是未來電源制作的一個趨勢，傳統(tǒng)開關(guān)電源線路一般很復(fù)雜體積也較大， 如果使用的單片機(jī)作為控制核心必將可以大大簡化電源的結(jié)構(gòu)，制作更加小的 電源將成為可能，并且使用單片機(jī)可以擴(kuò)展許多功能，如顯示，實(shí)時控制調(diào)整 電壓，可維護(hù)性強(qiáng)，由于目前國內(nèi)有專門的 pwm 輸出的單片機(jī)價格昂貴，普通 的單片機(jī)

10、i/o 口模擬的脈寬頻率較低，速度較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代電源要求的 工作頻率，所以目前單片機(jī)控制的電源使用并不廣泛，但是單片機(jī)在智能化以 及可實(shí)現(xiàn)的用戶友好界面，擴(kuò)展性強(qiáng)等等方面的優(yōu)勢使其成為未來電源重要的 發(fā)展方向。因此，我們研究單片機(jī)控制的開關(guān)電源，非常有現(xiàn)實(shí)意義。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)大的大規(guī)模 集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率 更高、體積更小、重量更輕的開關(guān)電源，使之能滿足電子設(shè)備的日益小型化的 需要。這是未來開關(guān)電源設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的第一個問題。 在開關(guān)電源中，由于功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)速度提高后，會 受到電路

11、中分布電感、電容成分或二極管中儲存的電荷的影響而產(chǎn)生較大的浪 涌和噪聲，其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產(chǎn)生較強(qiáng)的尖峰干擾和諧 波干擾，這些尖峰電壓或電流可能會損壞電路的器件，同時這些干擾會污染市 電電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器與設(shè)備的在正常工作。雖然也可以采取一些抑制 干擾的措施，在一定程度上降低這些干擾的影響，但目前階段的精密電子儀器 中，仍難以使用開關(guān)電源。因此，克服開關(guān)電源產(chǎn)生的各種噪聲干擾，是我們 要努力解決的第三個問題。 電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 第一章 概述 3 第一章 概述 1.1 課題來源及意義 電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、 自動控制技術(shù)的

12、多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與 現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前 電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。他對現(xiàn)代通 訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高 質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵作用。 -當(dāng)代許多高新技術(shù)均與市電的電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參 數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率的處 理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供 有力的支持。因此，電源技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他多項(xiàng)高 新技術(shù)的發(fā)展

13、基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、 降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶 來深遠(yuǎn)的影響。 -電源，如今已經(jīng)是非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到高尖端的科 技，都離不開電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中不斷的發(fā) 展起來的。 電源的重要性不可否認(rèn)，但是傳統(tǒng)電源存在不足的地方，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(dāng)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(shè)計(jì)，應(yīng)著重解決的問題， 而開關(guān)電源能夠很好的

14、解決這個問題，開關(guān)電源的功率開關(guān)管是工作在開關(guān)狀 態(tài)的，也就是，只是在開關(guān)管導(dǎo)通時，管子才會產(chǎn)生損耗，因此開關(guān)電源的效 率比線性電源要高得多，通?？梢赃_(dá)到 80%以上，本設(shè)計(jì)選擇開關(guān)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(guān)系，假定輸入基本穩(wěn)定， 利用單片機(jī)控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過 a/d 轉(zhuǎn)換，采樣輸出電壓， 使用數(shù)碼管顯示，通過鍵盤預(yù)置電壓，實(shí)現(xiàn)可調(diào)開關(guān)電源的制作。 1.2 課題基本要求 （1）設(shè)計(jì)、制作開關(guān)電源； （2）使用單片機(jī)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤預(yù)置輸入電壓，可顯示預(yù)置電 壓和輸出電壓； 物理與電子工程系畢業(yè)論文 4 （3）掌握開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法；

15、 （4）掌握單片機(jī)軟件編程方法； （5）掌握 pid 控制原理。 1.3 課題相關(guān)背景 我國的三極管直流變換器及開關(guān)電源的研制工作開始于 60 年代初期，到了 60 年代中期進(jìn)入了實(shí)用階段，緊跟著 70 年代初開始研制無工頻變壓器開關(guān)電 源。1974 年研制成功了工作頻率為 10 千赫茲、輸出電壓為 5v 的無工頻開關(guān)電 源。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(guān)電源，并廣 泛的應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、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(guān)電源于 80 年代初期開始研制，90 年代 初試制成功，目前已經(jīng)是非常成熟的電子產(chǎn)品

16、。按調(diào)制方式劃分可以分為： （1）脈寬調(diào)制型：振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖的寬度來改變和調(diào)節(jié) 輸出電壓的大小。通過采樣電路、耦合電路構(gòu)成閉合回路，來穩(wěn)定輸出電壓。 縮寫為 pwm(pulse width modulation)。 （2）頻率調(diào)制型：占空比保持不變或關(guān)斷時間不變，改變振蕩器的頻率來 穩(wěn)定并調(diào)節(jié)輸出電壓幅度?？s寫為 pfm（pulse frequency modulation） 。 （3）混合調(diào)制型：通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間的振蕩頻率來完成穩(wěn)定并輸出電壓幅 度。 通常采用的是脈寬調(diào)制型和混合調(diào)制型兩種調(diào)制方式。在脈寬調(diào)制中因?yàn)?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(shè)計(jì)都

17、很方便， 而且對射頻干擾的抑制也變得比較容易?；旌险{(diào)制則因其線路簡單，也得到了 廣泛的應(yīng)用。相對而言，頻率調(diào)制較少采用。本文中采用的是脈寬調(diào)制型。 第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 5 第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 2.1 開關(guān)電源工作原理 開關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開關(guān)方式，即導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)壓電源，縮 寫為 sps（switching power supply） 。開關(guān)電源的核心部分是一個直流變換器。 利用直流變換器可以把一種直流電壓變成極性、數(shù)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(shè)基準(zhǔn)電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動導(dǎo)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

18、小，假設(shè)為 4.9v，誤差為 0.1v，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個誤差，提高占空 比使輸出電壓增大，同理，當(dāng)由于電網(wǎng)波動導(dǎo)致輸出電壓增大時，脈沖調(diào)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(wěn)定。 整流 濾波 電路 開關(guān)管濾波電路 采樣電路比較放大脈沖調(diào)寬 輸出 輸入 基準(zhǔn)電壓 + - + - 圖 2.1 開關(guān)電源原理框圖 按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關(guān)電源與線性電源 兩大類。線性電源是發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。開關(guān) 電源是在線性電源的基礎(chǔ)之上發(fā)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不足。 2.2 開關(guān)電源

19、與線性電源的比較 2.2.1 線性電源的缺點(diǎn) （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(diǎn)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線性放大區(qū)。功率晶體管本身的功耗與輸出電流 物理與電子工程系畢業(yè)論文 6 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

20、，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。 2.2.2 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn) （1）功耗小，效率高。圖 2.1 中，開關(guān)管 v 在脈沖信號的控制下，交替工作在 導(dǎo)通-截止和截止-導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在 50 到 200 千赫茲。 這就使得功率開關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達(dá) 到 80%以上。 （2）體積小，重量輕。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關(guān)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(guān)電源的體積和重量都可 以得到減小。 （3）穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號的 頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化

21、可以通過變頻或者調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。在工頻電 網(wǎng)電壓有較大變化或負(fù)載有較大變化時，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所 以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)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，若開關(guān) 電源的工作頻率為 25 千赫茲，是線性穩(wěn)壓電源頻率 500 倍（25000/50 赫茲） ， 這使濾波電容的容量可以相應(yīng)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(jié)省了成本。 2.3 方案論證 單片機(jī)控制的開關(guān)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。 2.3.1 方案 1 方案 1：單片機(jī)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個電壓，用作電源的基準(zhǔn)電壓，電源 可

22、以通過鍵盤預(yù)置輸出電壓，單片機(jī)不加入反饋控制，電源仍要使用專門的 pwm 控制芯片，工作過程為：當(dāng)通過鍵盤預(yù)置電壓時，單片機(jī)通過 d/a 芯片輸 出一個電壓作為控制芯片的基準(zhǔn)電壓，這個基準(zhǔn)電壓可以使得控制芯片按照預(yù) 置電壓值，來輸出控制脈沖，以輸出期望輸出電壓。 第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 7 2.3.2 方案 2 方案 2：在方案 1 的基礎(chǔ)上，單片機(jī)擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不斷的檢測電源的 輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值的差值，調(diào)整后，通過 d/a 芯片輸出一 個基準(zhǔn)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 3：單片機(jī)擴(kuò)展 a/d 轉(zhuǎn)換器，不斷檢測輸出

23、端的電壓，并根據(jù)電源輸 出電壓與鍵盤預(yù)置電壓的差值，輸出一個 pwm 脈沖，直接控制電源的工作。 2.3.4 方案分析 方案 1 分析：單片機(jī)沒有加入反饋控制，只是輸出一個基準(zhǔn)電壓，這樣單 片機(jī)的作用非常的小，而且仍要使用專門的控制芯片，價格比較貴，電源成本 增加，削弱了單片機(jī)的作用，不宜采用。 方案 2 分析：單片機(jī)加入了反饋控制，作用得以利用，但是需要擴(kuò)展 a/d 和 d/a 芯片，而且還是需要專門的 pwm 控制芯片，成本比方案 1 更高，更不宜 采用。 方案 3 分析：這個方案，單片機(jī)不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制 核心，單片機(jī)得以充分利用，而且省去了 d/a 芯片，成本大大降低

24、，是真正的 單片機(jī)控制。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇第三種控制方案，單片機(jī)使用 89c51，a/d 芯片采用 adc0832，采用 4 位數(shù)碼管顯示采樣值，鍵盤預(yù)置電壓，設(shè)計(jì)任務(wù)要求輸出可調(diào)， 所以設(shè)定值需要從鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電 壓。 2.3.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)的工作電源，另外一路電壓直接作 為開關(guān)變換電路的輸入電壓。單片機(jī)根據(jù)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(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù) 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣

25、的電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用 pid 算法再次修改脈 寬使輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲能元件，在功率開關(guān)管 導(dǎo)通時，電感儲能，在開關(guān)管截止時，電感釋放能量給負(fù)載。單片機(jī)定時采樣 輸出端的電壓，通過 adc0832 送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出 物理與電子工程系畢業(yè)論文 8 更新的控制信號，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(guān)管工 作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片機(jī)會根 據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應(yīng)電壓，更新脈寬后， 單片機(jī)會馬上調(diào)用 pid 控制算法，對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時，電源自動

26、進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤預(yù)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較，假設(shè)當(dāng)前鍵盤輸入為 10v，從輸 出端取樣的值為 6v，差值為 4v，則系統(tǒng)會根據(jù)這個差值，更新脈寬使得輸出端 電壓上升為 10v；同樣，當(dāng)鍵盤輸入為 6v，輸出端取樣值為 10v，差值為-4v， 系統(tǒng)會根據(jù)算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程。 同時，電源可以自動穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為 v0，反饋電壓 問 vf（vf=v0） ，用戶設(shè)定電壓為 vs，當(dāng) v0=vs 時，偏差為 0，單片機(jī)不進(jìn)行脈寬 更新，當(dāng)電網(wǎng)波動導(dǎo)致輸出增加時，即 v0vs 時,單片機(jī)采樣的電壓也增加

27、，單 片機(jī)根據(jù)偏差修改占空比使導(dǎo)通時間變小，從而使電壓下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動 使輸出電壓下降時，即 v0vs 時，單片機(jī)修改脈寬使導(dǎo)通時間變長，從而使輸 出電壓上升，如此循環(huán)來進(jìn)行穩(wěn)壓。 整流濾波電路開關(guān)變換電路整流濾波電路 控制電路 輔助電源 四位數(shù)碼管 取樣電路 鍵盤 圖 2.2 單片機(jī)控制開關(guān)電源系統(tǒng)框圖 2.4 難點(diǎn)分析 2.4.1 如何提高電源工作頻率 困難分析： 現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以達(dá)到 300 千赫茲，本次設(shè)計(jì)雖然采用了 第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 9 24m 赫茲的晶振頻率，可以通過單片機(jī)定時輸出 40 千赫茲的頻率，但是開關(guān)電 源要求的是單片機(jī)的處理速度要足夠快，51

28、系列的單片機(jī)，即使使用 24m 的晶 振，相對于開關(guān)電源需要很快開關(guān)工作頻率，它的速度仍是比較慢的，而且這 里單片機(jī)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(jī)就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機(jī)可以通過定時器中斷產(chǎn)生 40 千 赫茲的頻率，但是定時器中斷產(chǎn)生的脈沖的有效電平，即占空比是不能夠改變 的，只能是 50%，要設(shè)計(jì)輸出可調(diào)的開關(guān)電源，顯然行不通。 解決辦法： 現(xiàn)在的問題在于單片機(jī)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(jī)，但是成本又增加了，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

29、：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(jī) i/o 輸出高電平，讓 t，d 同時計(jì)數(shù)，當(dāng) d 計(jì)算到預(yù)計(jì)值，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 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(jù)電源的工作頻率 設(shè)定定時時間。 算法為： d=100，t=1000；/定義變量，并賦值，占空比為 100/1000=10% void tim0 ()/定時中斷 p1.0=1;/p1.0 輸出高電平 d+;/同時計(jì)數(shù) t+; if（d=100）p1.0=0；/d 到預(yù)計(jì)值，輸出低電

30、平 if （t=1000）p1.0=1；/t 到預(yù)計(jì)值，輸出高電平 d=0；t=0；/清零 只要單片機(jī)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 使用儲能電感目的在于，在功率開關(guān)管截止時，為負(fù)載存儲能量，電氣上 的作用是把開關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。本次設(shè)計(jì)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(jì)算 式中為估計(jì)最大輸入電壓下，開關(guān)管導(dǎo)通 min4 . 1 )max( min iout tonvoutvin l ton 物理與電子工程系畢業(yè)論文 10 時間，根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)

31、驗(yàn)，估計(jì)為開關(guān)周期的 30%是比較合適的。 代入數(shù)據(jù)求得，取uhl 8 . 76min uhl100 電感的設(shè)計(jì)方法為 其中為加入氣隙的高磁導(dǎo)率材料鐵心電aeawap ae 感的截面積，為電感窗口截面積，其中 i 為電感aw nbm l ae im kcj ni aw 電流有效值，為導(dǎo)線的電流密度，為繞組填充因數(shù)， （08;tl0=tim0; pwm=pwm 4.1.5 pid 控制算法 設(shè)計(jì)原理：采用單片機(jī)作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，它是由 89c51 單片機(jī)系統(tǒng) 通過 a/d 電路采集過程變量 v，并根據(jù)有關(guān)的算法控制變量 u，通過輸出 pwm 控 制脈沖到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過程變量穩(wěn)定在設(shè)定的值上。

32、 pid 調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式： 近似計(jì)算。)0122()01()0(yyykdyykpyrkiu 其中：為 pid 參數(shù)，y0 為本次采樣值，y1 為上次采樣值，y2 為上kdkikp, 兩次采樣值。 ，r 為設(shè)定值，u 為控制量的增量。 ad 轉(zhuǎn)換采樣的電壓轉(zhuǎn)換為 0 到 255 之間的數(shù)字量，設(shè)定的值要轉(zhuǎn)換為對應(yīng) 的數(shù)字量，本電源在 3 到 12 伏可調(diào)，那么需要把 0 到 12 伏轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的 數(shù)字量，轉(zhuǎn)換公式為 12*255/12=255，即 255 對應(yīng) 12v，經(jīng)轉(zhuǎn)換以后就可以相互比較。 開關(guān)調(diào)整 電路 89c51 單片機(jī) a/d 轉(zhuǎn)換 器 圖 4.4 單片機(jī)閉

33、環(huán)控制系統(tǒng)框圖 物理與電子工程系畢業(yè)論文 30 4.1.6 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波就是把 n 組采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次有效的采 樣信號，即： y n =1/n e（j） 數(shù)字濾波適用于有隨機(jī)干擾的信號的濾波，適合于信號本身在某一數(shù)值范圍附 近上下波動的情況。由于隨機(jī)干擾信號在很多情況下可近似認(rèn)為是統(tǒng)計(jì)平均值 為零的白噪聲，因此采用求平均值的方法可以消除隨機(jī)干擾，實(shí)現(xiàn)對采樣信號 的平滑加工。但數(shù)字濾波可提高平滑度，但系統(tǒng)的靈敏度隨之降低。采樣次數(shù) n 的取值隨被控對象的不同而不同。對于 pid 差值，同樣是采用取平均值的方 式處理。 本采樣程序中，數(shù)字濾波算法為： n+;/采樣次數(shù)值

34、 =adc0832();/采樣值 adc ;/采樣值相加adcss if(n19) n=0; 0=s/20;/求平均值para s=0; pid 差值的濾波 u0=(u0*3+u)/4;/u 控制增量，假設(shè)當(dāng)前控制增量為 u0，則取 4 次平均值 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 31 第五章 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)試 這一部分可以在面包板上模擬，將電路連接后，接通電源，先測量變壓器 的輸出，由交流檔位所測得的電壓為 12.96v，再測量整流輸出的電壓，需要注 意將整流橋正確的連接，否則會導(dǎo)致整流輸出電壓不正確，甚至燒壞穩(wěn)壓塊。 檢查沒有錯誤后，再測量整流輸出電壓為 14

35、.9v，和理論值相近，同時所測量 穩(wěn)壓塊輸出為 5.10v，電路正常工作，可以給單片機(jī)供電。 5.1.2ad 轉(zhuǎn)換的調(diào)試 通過穩(wěn)壓電源給轉(zhuǎn)換器一個 5 伏電壓，改變電壓，觀察數(shù)碼管所顯示數(shù)值 可以跟隨電壓變化而變化，用萬用表測量電壓，和顯示值相比較也相近，可見 模數(shù)轉(zhuǎn)換是正常工作的。 5.1.3 脈沖輸出電路的調(diào)試 控制脈沖是直接輸入到開關(guān)管的基極的，在制板之前，用面包板模擬脈沖 信號是否可以直接控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，若使用開關(guān)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(guān)電路。將電路連接好，用示波器觀察基極輸入信號和集電極的輸出 信號，

36、觀察發(fā)現(xiàn)，輸入信號幅度較小，但是經(jīng)過開關(guān)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(guān)電路，信號穩(wěn) 定。 5.1.4 功率開關(guān)管的調(diào)試 將已經(jīng)制作好的電路板放置好，避免和導(dǎo)電物體接觸造成短路，然后，將 控制信號輸入功率開關(guān)管基極，用示波器觀察，通過按鍵從鍵盤輸入不同的預(yù) 置電壓，使用示波器另一通道觀察開關(guān)管集電極輸出信號，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍵盤 輸入不同的電壓時，輸入輸出的波形均發(fā)生變化，當(dāng)預(yù)置電壓從 12v 變小時， 控制脈沖的占空比也相應(yīng)的變小，當(dāng)預(yù)置電壓從小變大時，脈沖信號的占空比 又相應(yīng)的增大，可見鍵盤能夠控制系統(tǒng)更新脈寬，并能夠控制開關(guān)管工作，這 物理與

37、電子工程系畢業(yè)論文 32 部分調(diào)試完畢。 5.2 電源性能指標(biāo)的測試 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)有通用事項(xiàng)、包括電源名稱、適用規(guī)格等，首先是安 全規(guī)格，有關(guān)開關(guān)電源都有相應(yīng)的安全規(guī)格，例如，國際規(guī)格為 iec950、iec65；亞洲為電氣用品管理法（日本） ；歐洲統(tǒng)一規(guī)格為 en60- 950、en60065，其中北歐的 vde（德國） ，bsi（英國） ，sev（瑞士） 。有關(guān) emi 的規(guī)格，日本為 vcci1 類，2 類；美國為 fccp15j a 類，b 類；德國為 vdeo871 a 類，b 類；國際上為 cisprpub11、pub12。電氣技術(shù)指標(biāo)有輸入與輸出條件附 屬功能等。機(jī)械結(jié)構(gòu)為

38、外形、安裝和冷卻條件等。環(huán)境條件有溫度、濕度、振 動和沖擊等。其它條件有噪聲規(guī)定、可靠性等。 5.2.1 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo) （1）輸入技術(shù)指標(biāo) 作為開關(guān)電源的輸入技術(shù)指標(biāo)有輸入電源相數(shù)、額定輸入電壓及電壓的變 化范圍、頻率、輸入電流一般為單相 2 線制和 3 相 3 線制，還有單相 3 線制及 3 相 4 線制等。輸入電源的額定電壓因各國或地區(qū)不同而異，例如，美國規(guī)定 的交流輸入電源電壓為 120v，歐洲為 220 到 240v，日本為 100v 及 200v，我國 為 220v 及 380v。輸入電壓的變化范圍一般為10%，加上配線路徑及各國的具 體情況，輸入電壓的變化范圍多為-15%到+

39、10%。 工作頻率為 50hz 或 60hz，在頻率變化范圍不影響開關(guān)電源的特性時多半 為 48 到 63hz。開關(guān)電源最大輸入電流是表示輸入電壓為下限值時，輸出電壓 及電流為上限值時的輸入電流。額定輸入電流是在輸入電壓及輸出電壓、電流 為額定時的電流。開關(guān)電流的平波輸入方式是電容輸入方式，有較大的峰值電 流，要有考慮電流的波峰系數(shù)以及功率因數(shù)的規(guī)定。 （2）輸出技術(shù)指標(biāo) 輸出端的直流電壓的公稱值稱為額定輸出電壓，對于其公稱電壓規(guī)定有精 度與紋波系數(shù)等。 額定輸出電流是指輸出端供給負(fù)載的最大平均電流。根據(jù)電子設(shè)備的不同， 多路輸出電源中某路輸出電流增大，另路輸出電流就得減小，保持總的輸出電 流

40、不變。 穩(wěn)壓精度也稱為輸出電壓精度或電壓調(diào)整率，輸出電壓變動有多種原因。 輸出電壓可調(diào)范圍是指在保證電壓穩(wěn)定精度條件下，由外部可能調(diào)整的輸 出電壓范圍，一般為5%或10%。條件是輸入電壓的下限時輸出電壓的最大值， 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 33 以及輸入電壓的上限時輸出電壓的最小值。 紋波是與輸出端呈現(xiàn)的輸入頻率及開關(guān)變換頻率同步的分量，用峰-峰值 表示，一般為輸出電壓的 0.5%以內(nèi)。噪聲是輸出端呈現(xiàn)的除紋波以外頻率的分 量，也用峰-峰值表示，一般為輸出電壓的 1%，也包括與紋波沒用明確區(qū)分的 部分，規(guī)定是紋波與噪聲的合值，多數(shù)場合是規(guī)定紋波噪聲總合的情況，為輸 出電壓的 2%以內(nèi)。 （3）附屬功能

41、 過電流保護(hù) 輸出短路或過負(fù)載時對電源或負(fù)載要進(jìn)行保護(hù)，即為過電流保護(hù)。保護(hù)特 性有額定電流下垂特性；恒流特性；恒定功率特性，多數(shù)為下垂特性。過電流 的設(shè)定值一般為額定電流的 110%到 130%。但一般不損壞電源與負(fù)的范圍內(nèi)，特 別不規(guī)定短路保護(hù)時的電流值的情況很多。一般為自動恢復(fù)型。 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)包括：特性指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)。特性指標(biāo)包括輸出電壓、 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出電流、最大輸出電流；質(zhì)量指標(biāo)則包括紋波電壓、輸 出電壓調(diào)整率等。 5.2.2 輸出電壓的測試 測試時，先將負(fù)載電阻 rl 斷開，用萬用表測量電源的輸出電壓 vo，從鍵 盤預(yù)置不同的電壓值，一一測量，并和數(shù)碼管顯示值相比較

42、，若測量結(jié)果顯示， 輸出電壓可以跟隨鍵盤輸入的變化而變化，同時數(shù)碼管顯示值也發(fā)生變化，并 且與測量結(jié)果相近，則電路是正常工作的。假如檢查過程中發(fā)現(xiàn)，電路失去了 調(diào)節(jié)作用，輸出電壓完全不隨鍵盤輸入變化而變化，則應(yīng)檢查開關(guān)管的各極的 電壓是否正常，主要檢查 vbeo、vceo，分析其是否已經(jīng)工作在開關(guān)狀態(tài)，以找 出電源工作不正常的原因。 測試電路如圖 5.1 所示，進(jìn)行輸出電壓和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的測試時，均 采用這個測試電路。 測試步驟：先調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使輸入電源電路的交流輸入電壓為 220v， 在電源電路的輸出端，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻 rl 的阻值（可以取阻值為幾十到幾 百歐姆、額定工作電源大于

43、本電源電路最大輸出電流的滑變電阻）使電源的輸 出電流為規(guī)定值，在此，取輸出電流為最大輸出電流的 1/2，為 1a（最大輸出 電流為 2a，額定電流為 1a） ，則取 rl 電阻值為 12 歐姆，觀察電流表讀數(shù)達(dá)到 達(dá) 1a 后，用萬用表測量輸出電壓，測量值為 11.96v，在 120.5 這個范圍內(nèi)， 符合任務(wù)要求指標(biāo)；通過鍵盤改變預(yù)置電壓，使輸出電壓輸出最小值 3v，同樣 調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電流，達(dá)到最小值，再次測量輸出電壓，測電壓為 3.1v， 物理與電子工程系畢業(yè)論文 34 在 35%的誤差范圍內(nèi)，則所測量的輸出電壓范圍為 3.1v11.96v。其中，vi 為電網(wǎng)輸入電壓，vs 是電路輸

44、入電壓。 整流 濾波 整流 濾波 vi vs 電流表 負(fù)載電壓表 圖 5.1 輸出電壓或者輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的測試電路 5.2.3 最大輸出電流的測試 測試電路同樣按照圖 5.1 連接，測試步驟為： 調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路輸入電壓為 vmin=220 x(1-10%)=198v,從鍵盤 預(yù)置最小的電壓，使輸出電壓為最小值，取負(fù)載電阻為 1.5 歐姆，使得輸出電 流達(dá)到最大值 2a，測量此時電壓為 3.2v，然后，斷開和接通負(fù)載，分別觀察輸 出電壓的變化情況，當(dāng)負(fù)載從斷開到接通時，測得的輸出電壓沒有明顯的變化， 仍為 3.3v 左右，由此判斷電源可以輸出這樣的最大電流為 2a。 若在測試中發(fā)現(xiàn)

45、輸出電壓有明顯的變化，則需要適當(dāng)限制輸出電流或者輸 出電壓。 5.2.4 過流保護(hù)的測試 測試電路仍采用圖 5.1，測試步驟：調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路的輸入 電壓為 220v，使用滑動變電阻器，取得適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻值，調(diào)節(jié)變阻器，分別 測量輸出電壓為最大值、中間值、最小值三個點(diǎn)，調(diào)節(jié)變阻器，使與負(fù)載電阻 rl 串接的電流表指示值略大于最大輸出電流值 2a，調(diào)節(jié)后顯示值為 2.2a，當(dāng) 電流到達(dá)此值時，所測得的輸出電壓為 0v，說明過流保護(hù)電路在電流超過規(guī)定 值時，將輸出端短路，同理，當(dāng)調(diào)節(jié)變阻器使輸出電流小于 2a 時，電源輸出電 壓正常。 5.2.5 電壓調(diào)整率的測試 電壓調(diào)整率是指在直流電

46、源負(fù)載不變，即負(fù)載電流不變的情況下，輸入電 壓變化，包括電網(wǎng)電壓變化時，輸出直流電壓變化的相對值，用公式表示為： 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 35 ，式中為電網(wǎng)電壓為 220v 時所對應(yīng)的輸出直流電壓值，vovosd/vo 為電網(wǎng)電壓從 220v 分別變化到電網(wǎng)電壓+10%（242v）和-10%（198v）時，vo 輸出電壓的變化量。電壓調(diào)整率越小，電源穩(wěn)定性越好。 測試電路仍采用圖 5.1，測試步驟：通過鍵盤預(yù)置電壓為最大值、最小值、 中間值，使得輸出電壓分別為 11.6v、3.2v、6v，分別調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電 流在這幾個點(diǎn)均達(dá)到輸出電流的最大值 2a，然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使得交流輸入電 壓為 242

47、v，測得此時的輸出電壓=11.83v，再調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使交流輸入1vo 電壓為 198v，測得此時的輸出電壓=11.56v，再次調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使交流輸入2vo 電壓為 220v，測得此時電壓=11.9v，根據(jù)電壓調(diào)整率的計(jì)算公式得vo %26 . 2 %100 9 . 11 56.1183.11 %100 21 vo vovo sd 5.2.6 紋波電壓的測試 紋波電壓是指疊加在輸出電壓上的交流電壓分量的有效值或者峰峰值。測 試步驟：交流紋波電壓的最大值一般出現(xiàn)在負(fù)載電流最大的時候，因此,測試輸 出紋波電壓時，應(yīng)當(dāng)使負(fù)載電流達(dá)到最大值。 輸出電壓中的紋波電壓有效值可以使用毫伏表測出，而峰峰值可

48、用示波器 測量，由于紋波電壓并不是正弦波，采用毫伏表測量的讀數(shù)，不能代表紋波電 壓的有效值，所以這里采用示波器觀察紋波電壓的峰峰值，所測得的紋波電壓 峰峰值為 65mv 左右，符合任務(wù)要求。如果要求更小的紋波電壓，以使輸出電壓 脈動更小，可以加大濾波電容。 測試結(jié)果： 輸出電壓范圍為 3.1v11.96v； 最大輸出電流為 2a； 電壓調(diào)整率 2.26%； 紋波電壓峰峰值 65mv 物理與電子工程系畢業(yè)論文 36 第六章 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源的智能控制，實(shí)現(xiàn)智能化開關(guān)電源的制 作。通過鍵盤預(yù)置電壓，控制單片機(jī)進(jìn)行脈寬調(diào)制，使輸出電壓在大范圍內(nèi)可 調(diào)。應(yīng)用這個結(jié)論，采用工作頻率更高，位數(shù)更高的單片機(jī)可以制作性能更加 優(yōu)越，工作頻率更高的、智能化程度更高的開關(guān)電源，比如說，利用單片機(jī)， 可以控制當(dāng)電源長時間不使用時，自動關(guān)閉電源；如果采用片內(nèi)帶模數(shù)