基于單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源論文經(jīng)典

1、-. z目 錄 TOC o 1-3 u 引言 PAGEREF _Toc106786886 h 11 概述 PAGEREF _Toc106786887 h 11.1 課題來(lái)源及意義 PAGEREF _Toc106786888 h 21.2 課題根本要求 PAGEREF _Toc106786889 h 21.3 課題相關(guān)背景 PAGEREF _Toc106786890 h 22 開(kāi)關(guān)電源方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786891 h 32.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理 PAGEREF _Toc106786892 h 32.2 開(kāi)關(guān)電源與線性電源的比擬 PAGEREF _Toc106786893

2、h 42.3 方案論證 PAGEREF _Toc106786896 h 4方案1 PAGEREF _Toc106786897 h 4方案2 PAGEREF _Toc106786898 h 5方案3 PAGEREF _Toc106786899 h 5方案分析 PAGEREF _Toc106786900 h 5總體構(gòu)造設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786901 h 52.4 難點(diǎn)分析 PAGEREF _Toc106786902 h 6如何提高電源工作頻率 PAGEREF _Toc106786903 h 6儲(chǔ)能電感的繞制 PAGEREF _Toc106786904 h 7標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù) PAGE

3、REF _Toc106786905 h 72.5 控制技術(shù)選擇 PAGEREF _Toc106786906 h 82.6 開(kāi)關(guān)變換器構(gòu)造分析與選擇 PAGEREF _Toc106786909 h 92.7 開(kāi)關(guān)電路器件參數(shù)選擇 PAGEREF _Toc106786913 h 12功率開(kāi)關(guān)管的選擇 PAGEREF _Toc106786914 h 122.7.2 濾波電容的選擇 PAGEREF _Toc106786915 h13儲(chǔ)能電感的選擇 PAGEREF _Toc106786916 h 13續(xù)流二極管的選擇 PAGEREF _Toc106786917 h 143 硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF

4、_Toc106786918 h 143.1 電源電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786919 h 14整流濾波電路 PAGEREF _Toc106786920 h 14開(kāi)關(guān)變換電路 PAGEREF _Toc106786921 h 14分壓電阻的計(jì)算 PAGEREF _Toc106786922 h 15保護(hù)電路 PAGEREF _Toc106786923 h 153.2 控制電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786924 h 16反響電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786925 h 17四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786926 h 18單片機(jī)與鍵盤接

5、口電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786927 h 194 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786928 h 194.1 總體編程思想 PAGEREF _Toc106786929 h 20鍵盤防抖動(dòng)子程序 PAGEREF _Toc106786930 h 20數(shù)碼顯示子程序 PAGEREF _Toc106786931 h 21采樣子程序 PAGEREF _Toc106786932 h 22中斷處理程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc106786933 h 23控制算法 PAGEREF _Toc106786934 h 24數(shù)字濾波 PAGEREF _Toc106786935 h 24

6、5 系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc106786936 h 255.1 硬件模塊調(diào)試 PAGEREF _Toc106786937 h 25整流濾波電路的調(diào)試 PAGEREF _Toc106786938 h 25轉(zhuǎn)換的調(diào)試 PAGEREF _Toc106786939 h 25脈沖輸出電路的調(diào)試 PAGEREF _Toc106786940 h 25功率開(kāi)關(guān)管的調(diào)試 PAGEREF _Toc106786941 h 265.2 電源性能指標(biāo)的測(cè)試 PAGEREF _Toc106786942 h 26開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc106786943 h 26輸出電壓的測(cè)試 PAGEREF

7、 _Toc106786944 h 27最大輸出電流的測(cè)試 PAGEREF _Toc106786945 h 28過(guò)流保護(hù)的測(cè)試 PAGEREF _Toc106786946 h 28電壓調(diào)整率的測(cè)試 PAGEREF _Toc106786947 h 28紋波電壓的測(cè)試 PAGEREF _Toc106786948 h 296 結(jié)論 PAGEREF _Toc106786949 h 29辭 PAGEREF _Toc106786950 h 29參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc106786951 h 30附錄 PAGEREF _Toc106786952 h 31-. z引言開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制

8、功率開(kāi)關(guān)管MOSFET；三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比來(lái)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(kāi)關(guān)電源，可以通過(guò)鍵盤預(yù)置期望輸出電壓值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓進(jìn)展采樣，由軟件控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖寬度，對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)展脈寬調(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，并顯示實(shí)時(shí)電壓和預(yù)置值，通過(guò)鍵盤可隨時(shí)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

9、負(fù)3到12伏的雙極性電源。單片機(jī)控制的開(kāi)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(lái)電源制作的一個(gè)趨勢(shì)，傳統(tǒng)開(kāi)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(jiǎn)化電源的構(gòu)造，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(shí)控制調(diào)整電壓，可維護(hù)性強(qiáng)，由于目前國(guó)有專門的PWM輸出的單片機(jī)價(jià)格昂貴，普通的單片機(jī)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

10、強(qiáng)等等方面的優(yōu)勢(shì)使其成為未來(lái)電源重要的開(kāi)展方向。因此，我們研究單片機(jī)控制的開(kāi)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)的高速開(kāi)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(kāi)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(lái)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的第一個(gè)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源的效率是與開(kāi)關(guān)管的變換速度成正比的，要進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的效率，就要提高電源的工作頻率。但頻率提高后，對(duì)整個(gè)電路中的元器件又有了新的要求。進(jìn)一步研制生產(chǎn)出適合于高頻工作的開(kāi)關(guān)管、高頻電容、開(kāi)關(guān)變壓器、儲(chǔ)能電感等元器件是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)所面臨的另一個(gè)

11、問(wèn)題。在開(kāi)關(guān)電源中，由于功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)速度提高后，會(huì)受到電路中分布電感、電容成分或二極管中儲(chǔ)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(huì)通過(guò)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(huì)損壞電路的器件，同時(shí)這些干擾會(huì)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，但目前階段的精細(xì)電子儀器中，仍難以使用開(kāi)關(guān)電源。因此，克制開(kāi)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(gè)問(wèn)題。1 概述 1.1 課題來(lái)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)、

12、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣穿插技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)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)已逐步開(kāi)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(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國(guó)防及*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、和波形等根本參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的準(zhǔn)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)的開(kāi)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)的開(kāi)展根底

13、。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步開(kāi)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(lái)深遠(yuǎn)的影響。電源，如今已經(jīng)是非常重要的根底科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到高尖端的科技，都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中不斷的開(kāi)展起來(lái)的。電源的重要性不可否認(rèn)，但是傳統(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(dāng)輸出電流越大時(shí)，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(lái)電源設(shè)計(jì)，應(yīng)著重解決的問(wèn)題，而開(kāi)關(guān)電源能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)關(guān)電源的功率開(kāi)

14、關(guān)管是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的，也就是，只是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，管子才會(huì)產(chǎn)生損耗，因此開(kāi)關(guān)電源的效率比線性電源要高得多，通?？梢缘竭_(dá)80%以上，本設(shè)計(jì)選擇開(kāi)關(guān)電源作為研究對(duì)象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關(guān)系，假定輸入根本穩(wěn)定，利用單片機(jī)控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，采樣輸出電壓，使用數(shù)碼管顯示，通過(guò)鍵盤預(yù)置電壓，實(shí)現(xiàn)可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的制作。1.2 課題根本要求1設(shè)計(jì)、制作開(kāi)關(guān)電源；2使用單片機(jī)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，通過(guò)鍵盤預(yù)置輸入電壓，可顯示預(yù)置電壓和輸出電壓；3掌握開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法；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(guó)的三極管直流變換器及開(kāi)關(guān)電

15、源的研制工作開(kāi)場(chǎng)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(kāi)場(chǎng)研制無(wú)工頻變壓器開(kāi)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(wú)工頻開(kāi)關(guān)電源。近30年來(lái)，許多研究所、工廠及高校已研制出多種型號(hào)的開(kāi)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(kāi)關(guān)電源于80年代初期開(kāi)場(chǎng)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。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(guò)改變脈沖的寬度來(lái)改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。通過(guò)采樣電路、耦合電路構(gòu)成閉合回路，來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。縮寫為P

16、WM(Pulse Width Modulation)。 2頻率調(diào)制型：占空比保持不變或關(guān)斷時(shí)間不變，改變振蕩器的頻率來(lái)穩(wěn)定并調(diào)節(jié)輸出電壓幅度。縮寫為PFMPulse Frequency modulation。 3混合調(diào)制型：通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間的振蕩頻率來(lái)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)轭l率不變，所以無(wú)論是對(duì)電路中的磁性元件及晶體管的測(cè)試和設(shè)計(jì)都很方便，而且對(duì)射頻干擾的抑制也變得比擬容易?；旌险{(diào)制則因其線路簡(jiǎn)單，也得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)而言，頻率調(diào)制較少采用。本文中采用的是脈寬調(diào)制型。2 開(kāi)關(guān)電源方案設(shè)計(jì)2.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理開(kāi)關(guān)電源是指調(diào)

17、整管工作在開(kāi)關(guān)方式，即導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)壓電源，縮寫為SPSSwitching Power Supply。開(kāi)關(guān)電源的核心局部是一個(gè)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(guò)程為：假設(shè)基準(zhǔn)電壓為5v，由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸入電壓減小，則輸出電壓也將會(huì)減少，此時(shí)，所采樣的電壓將減小，假設(shè)為4.9v，誤差為0.1v，經(jīng)過(guò)比擬放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個(gè)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(dòng)導(dǎo)致輸出電壓增大時(shí)，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。整流濾波電路開(kāi)關(guān)管濾波電路采樣電路比擬放大脈沖調(diào)寬輸出輸入

18、基準(zhǔn)電壓圖2.1開(kāi)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(kāi)關(guān)電源與線性電源兩大類。線性電源是開(kāi)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。開(kāi)關(guān)電源是在線性電源的根底之上開(kāi)展起來(lái)的，并在很大程度上克制了線性電源的缺陷，但其自身也有一定的缺乏。2.2 開(kāi)關(guān)電源與線性電源的比擬線性電源的缺點(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(gè)工作過(guò)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成正比。這樣功率晶體管的功耗就會(huì)隨電源的輸出功率的增加而

19、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。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)1功耗小，效率高。圖2.1中，開(kāi)關(guān)管V在脈沖信號(hào)的控制下，交替工作在導(dǎo)通-截止和截止-導(dǎo)通的開(kāi)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(kāi)關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以到達(dá)80%以上。2體積小，重量輕。由于沒(méi)有采用大型的工頻變壓器，并且在開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的

20、體積和重量都可以得到減小。3穩(wěn)壓圍寬。開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號(hào)的占空比或者鼓勵(lì)信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過(guò)變頻或者調(diào)寬來(lái)進(jìn)展補(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(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓圍寬、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，假設(shè)開(kāi)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(shí)也節(jié)省了本錢。2.3 方案論證單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源，從對(duì)輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。方案1方案1：?jiǎn)纹?/p>

21、機(jī)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)電壓，用作電源的基準(zhǔn)電壓，電源可以通過(guò)鍵盤預(yù)置輸出電壓，單片機(jī)不參加反響控制，電源仍要使用專門的PWM控制芯片，工作過(guò)程為：當(dāng)通過(guò)鍵盤預(yù)置電壓時(shí)，單片機(jī)通過(guò)D/A芯片輸出一個(gè)電壓作為控制芯片的基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓可以使得控制芯片按照預(yù)置電壓值，來(lái)輸出控制脈沖，以輸出期望輸出電壓。方案2方案2：在方案1的根底上，單片機(jī)擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不斷的檢測(cè)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(guò)D/A芯片輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，控制專門的PWM控制芯片，間接的控制電源工作。 方案3方案3：?jiǎn)纹瑱C(jī)擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器，不斷檢測(cè)輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤預(yù)置電壓的差

22、值，輸出一個(gè)PWM脈沖，直接控制電源的工作。方案分析方案1分析：?jiǎn)纹瑱C(jī)沒(méi)有參加反響控制，只是輸出一個(gè)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(jià)格比擬貴，電源本錢增加，削弱了單片機(jī)的作用，不宜采用。方案2分析：?jiǎn)纹瑱C(jī)參加了反響控制，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，本錢比方案1更高，更不宜采用。方案3分析：這個(gè)方案，單片機(jī)不僅參加了反響控制系統(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，本錢大大降低，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

23、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?？傮w構(gòu)造設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作原理圖如圖2.2所示：市電經(jīng)過(guò)整流濾波后，一路電壓經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓得到一個(gè)+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(kāi)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(kāi)關(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比擬，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(kāi)關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲(chǔ)能元件，在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感釋

24、放能量給負(fù)載。單片機(jī)定時(shí)采樣輸出端的電壓，通過(guò)ADC0832送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)展處理，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號(hào)控制功率開(kāi)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，單片時(shí)機(jī)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，單片時(shí)機(jī)馬上調(diào)用PID控制算法，對(duì)輸出電壓進(jìn)展穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時(shí)，電源自動(dòng)進(jìn)展脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤預(yù)置的電壓變化時(shí)，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比擬，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(huì)根據(jù)這個(gè)差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為10v；同樣，當(dāng)鍵

25、盤輸入為6v，輸出端取樣值為10v，差值為-4v，系統(tǒng)會(huì)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(guò)程。同時(shí)，電源可以自動(dòng)穩(wěn)壓，假定在*一正常狀態(tài)下，輸出為V0，反響電壓?jiǎn)朧fVf=V0，用戶設(shè)定電壓為Vs，當(dāng)V0=Vs時(shí)，偏差為0，單片機(jī)不進(jìn)展脈寬更新，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出增加時(shí)，即V0Vs時(shí),單片機(jī)采樣的電壓也增加，單片機(jī)根據(jù)偏差修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從而使電壓下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使輸出電壓下降時(shí)，即V0Vs時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來(lái)進(jìn)展穩(wěn)壓。整流濾波電路開(kāi)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

26、制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)框圖2.4 難點(diǎn)分析如何提高電源工作頻率困難分析：現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以到達(dá)300千赫茲，本次設(shè)計(jì)雖然采用了24M赫茲的晶振頻率，可以通過(guò)單片機(jī)定時(shí)輸出40千赫茲的頻率，但是開(kāi)關(guān)電源要求的是單片機(jī)的處理速度要足夠快，51系列的單片機(jī)，即使使用24M的晶振，相對(duì)于開(kāi)關(guān)電源需要很快開(kāi)關(guān)工作頻率，它的速度仍是比擬慢的，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，則單片機(jī)就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機(jī)可以通過(guò)定時(shí)器中斷產(chǎn)生40千赫茲的頻率，但是定時(shí)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(kāi)關(guān)電源，顯然行不

27、通。解決方法：現(xiàn)在的問(wèn)題在于單片機(jī)輸出的脈沖占空比無(wú)法改變，硬件更改，只能是更換處理速度高的單片機(jī)，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(gè)變量，一個(gè)周期T，一個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)器，根據(jù)電源的工作頻率設(shè)定定時(shí)時(shí)間。算法為：D=100，T=1000；/定義變量，并賦值，占空比為100/1000=10%

28、VOID tim0 ()/定時(shí)中斷P1.0=1;/P1.0輸出高電平D+;/同時(shí)計(jì)數(shù) T+;IfD=100P1.0=0；/D到預(yù)計(jì)值，輸出低電平If T=1000P1.0=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(shí)鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。儲(chǔ)能電感的繞制使用儲(chǔ)能電感目的在于，在功率開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，為負(fù)載存儲(chǔ)能量，電氣上的作用是把開(kāi)關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。本次設(shè)計(jì)儲(chǔ)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)歷，估計(jì)為開(kāi)關(guān)周期

29、的30%是比擬適宜的。代入數(shù)據(jù)求得，取電感的設(shè)計(jì)方法為 其中為參加氣隙的高磁導(dǎo)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(dǎo)線的電流密度，為繞組填充因數(shù)，08;TL0=tim0;PWM=PWM ID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(guò)A/D電路采集過(guò)程變量V，并根據(jù)有關(guān)的算法控制變量u，通過(guò)輸出PWM控制脈沖到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過(guò)程變量穩(wěn)定在設(shè)定的值上。PID調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過(guò)數(shù)值公式： 近似計(jì)算。其中：為PID參數(shù)，y0為本次采樣值，y1為上次采樣值，y2為上兩次采樣值。，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2

30、55之間的數(shù)字量，設(shè)定的值要轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，本電源在3到12伏可調(diào)，則需要把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(duì)應(yīng)12V，經(jīng)轉(zhuǎn)換以后就可以相互比擬。開(kāi)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)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖數(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(hào)，即：y n =1/n ej數(shù)字濾波適用于有隨機(jī)干擾的信號(hào)的濾波，適合于信號(hào)本身在*一數(shù)值圍附近上下波動(dòng)的情況。由于隨機(jī)干擾信號(hào)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(duì)采樣信號(hào)的平滑加工。但數(shù)字濾

31、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(duì)象的不同而不同。對(duì)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=ADC0832();/采樣值;/采樣值相加if(n19)n=0; 0=s/20;/求平均值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5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件模塊調(diào)試整流濾波電路的調(diào)試這一局部可以在面包板上模擬，將電路連接后，接通電源，先測(cè)量變壓器的輸出，由交流檔位所測(cè)得的電壓為12.96v，再測(cè)量整流輸出的電壓，需要注意將整流橋正確的連接，否則會(huì)導(dǎo)致整流輸出電

32、壓不正確，甚至燒壞穩(wěn)壓塊。檢查沒(méi)有錯(cuò)誤后，再測(cè)量整流輸出電壓為14.9v，和理論值相近，同時(shí)所測(cè)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。D轉(zhuǎn)換的調(diào)試通過(guò)穩(wěn)壓電源給轉(zhuǎn)換器一個(gè)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(wàn)用表測(cè)量電壓，和顯示值相比擬也相近，可見(jiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換是正常工作的。脈沖輸出電路的調(diào)試控制脈沖是直接輸入到開(kāi)關(guān)管的基極的，在制板之前，用面包板模擬脈沖信號(hào)是否可以直接控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，假設(shè)使用開(kāi)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(hào)，幅度會(huì)很小，效果不好，通常采用集電極輸出型開(kāi)關(guān)電路。將電路連接好，用示波器觀察基極輸入信號(hào)和集電

33、極的輸出信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)，輸入信號(hào)幅度較小，但是經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)后，在集電極的輸出信號(hào)，幅度明顯被放大，效果比擬好，說(shuō)明控制脈沖可以直接控制開(kāi)關(guān)電路，信號(hào)穩(wěn)定。功率開(kāi)關(guān)管的調(diào)試將已經(jīng)制作好的電路板放置好，防止和導(dǎo)電物體接觸造成短路，然后，將控制信號(hào)輸入功率開(kāi)關(guān)管基極，用示波器觀察，通過(guò)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(kāi)關(guān)管集電極輸出信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍵盤輸入不同的電壓時(shí)，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(shí)，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(shí)，脈沖信號(hào)的占空比又相應(yīng)的增大，可見(jiàn)鍵盤能夠控制系統(tǒng)更新脈寬，并能夠控制開(kāi)關(guān)管工作，這局部調(diào)試完畢。5.2 電源性

34、能指標(biāo)的測(cè)試開(kāi)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，首先是平安規(guī)格，有關(guān)開(kāi)關(guān)電源都有相應(yīng)的平安規(guī)格，例如，國(guó)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(guó)，BSI英國(guó)，SEV瑞士。有關(guān)EMI的規(guī)格，日本為VCCI1類，2類；美國(guó)為FCCP15J A類，B類；德國(guó)為VDEO871 A類，B類；國(guó)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)械構(gòu)造為外形、安裝和冷卻條件等。環(huán)境條件有溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊等。其它條件有噪聲規(guī)定、可靠性等。開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)1輸入技術(shù)

35、指標(biāo)作為開(kāi)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(guó)或地區(qū)不同而異，例如，美國(guó)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(guó)為220V及380V。輸入電壓的變化圍一般為10%，加上配線路徑及各國(guó)的具體情況，輸入電壓的變化圍多為-15%到+10%。工作頻率為50Hz或60Hz，在頻率變化圍不影響開(kāi)關(guān)電源的特性時(shí)多半為48到63Hz。開(kāi)關(guān)電源最大輸入電流是表示輸入電壓為下限值時(shí)，輸出電壓及電流為上限值時(shí)的輸入電流。額定輸入電流是在輸入電壓

36、及輸出電壓、電流為額定時(shí)的電流。開(kāi)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(duì)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應(yīng)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*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(dòng)有多種原因。輸出電壓可調(diào)圍是指在保證電壓穩(wěn)定精度條件下，由外部可能調(diào)整的輸出電壓圍，一般為5%或10%。條件是輸入電壓的下限時(shí)輸出電壓的最大值，以及輸入電壓的上限時(shí)輸出電壓的最小值。

37、紋波是與輸出端呈現(xiàn)的輸入頻率及開(kāi)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。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(méi)用明確區(qū)分的局部，規(guī)定是紋波與噪聲的合值，多數(shù)場(chǎng)合是規(guī)定紋波噪聲總合的情況，為輸出電壓的2%以。3附屬功能過(guò)電流保護(hù)輸出短路或過(guò)負(fù)載時(shí)對(duì)電源或負(fù)載要進(jìn)展保護(hù)，即為過(guò)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(guò)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)的圍，特別不規(guī)定短路保護(hù)時(shí)的電流值的情況很多。一般為自動(dòng)恢復(fù)型。開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)包括：特性指標(biāo)

38、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)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。輸出電壓的測(cè)試測(cè)試時(shí)，先將負(fù)載電阻RL斷開(kāi)，用萬(wàn)用表測(cè)量電源的輸出電壓Vo，從鍵盤預(yù)置不同的電壓值，一一測(cè)量，并和數(shù)碼管顯示值相比擬，假設(shè)測(cè)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(shí)數(shù)碼管顯示值也發(fā)生變化，并且與測(cè)量結(jié)果相近，則電路是正常工作的。假設(shè)檢查過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，以找出電源工作不正常的原因。測(cè)試電路如圖5.1所示，進(jìn)展

39、輸出電壓和輸出電壓調(diào)節(jié)圍的測(cè)試時(shí)，均采用這個(gè)測(cè)試電路。測(cè)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)到達(dá)達(dá)1A后，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓，測(cè)量值為11.96v，在120.5這個(gè)圍，符合任務(wù)要求指標(biāo)；通過(guò)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，到達(dá)最小值，再次測(cè)量輸出電壓，測(cè)電

40、壓為3.1v，在35%的誤差圍，則所測(cè)量的輸出電壓圍為3.1v11.96v。其中，Vi為電網(wǎng)輸入電壓，Vs是電路輸入電壓。整流濾波整流濾波ViVs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)圍的測(cè)試電路最大輸出電流的測(cè)試測(cè)試電路同樣按照?qǐng)D5.1連接，測(cè)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*(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，使得輸出電流到達(dá)最大值2A，測(cè)量此時(shí)電壓為3.2v，然后，斷開(kāi)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(kāi)到接通時(shí)，測(cè)得的輸出電壓沒(méi)有明顯的變化，仍為3.3v左右，由此判斷電源可

41、以輸出這樣的最大電流為2A。假設(shè)在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)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。過(guò)流保護(hù)的測(cè)試測(cè)試電路仍采用圖5.1，測(cè)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(dòng)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(cè)量輸出電壓為最大值、中間值、最小值三個(gè)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(shí)，所測(cè)得的輸出電壓為0v，說(shuō)明過(guò)流保護(hù)電路在電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，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(shí)，電源輸出電壓正常。電壓調(diào)整率的測(cè)試電壓調(diào)整率是指在直流電源負(fù)載不變，即負(fù)載

42、電流不變的情況下，輸入電壓變化，包括電網(wǎng)電壓變化時(shí)，輸出直流電壓變化的相對(duì)值，用公式表示為：，式中為電網(wǎng)電壓為220v時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出直流電壓值，為電網(wǎng)電壓從220v分別變化到電網(wǎng)電壓+10%242v和-10%198v時(shí)，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(cè)試電路仍采用圖5.1，測(cè)試步驟：通過(guò)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(gè)點(diǎn)均到達(dá)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242v，測(cè)得此時(shí)的輸出電壓=11.83v，再調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使交流輸入電壓為198v，測(cè)得此時(shí)的輸出電壓=11.56v，再次調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使交流輸入電壓為220v，測(cè)得此時(shí)電壓=11.9v，根據(jù)電壓調(diào)整率的計(jì)算公式得%紋波電壓的測(cè)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(cè)試步驟：交流紋波電壓