《毕业设计论文基于单片机控制的开关电源.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于单片机控制的开关电源.doc（40页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、广西工学院毕业设计论文课题名称 基于单片机控制的开关电源 系 别 职业技术教育学院 专 业 电子信息工程 班 级 电子 Z071 学 号 姓 名 指导教师 2011年5月 20 日摘要开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（MOSFET；三极管）的导通和关断的时间比来稳定输出电压的一种新型稳压电源。它是在电子、计算机、通信、电气、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点。本次设计的主要目的是实现一个单片机控制开关电源，开关电源在日常生活中应用非常广泛，如今是数字化时代，用单片机实现电子产品十分方便，所以在这
2、次设计中使用了单片机实现。在这次设计文档中，详细阐述了开关电源与线性电源的比较，方案论证，总体结构设计，通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。并采用PID算法控制输出电压稳定，构成可输出0v到12v的可调电压，并显示实时电压和预置值。 关键字：开关电源 半导体 PID算法 闭环控制 数控 Summary Switching power supply is to use the power of modern electronic technology to control power switch
3、 (MOSFET; transistor) on-and off time than to stabilize the output voltage of a new power supply.It is in electronics, computers, communications, electrical, aerospace, military and home appliances, is widely used as a power electronic devices.With high power conversion efficiency, small size, light
4、 weight, high control accuracy and fast and good. The design of the main aim is to realize a single-chip microcomputer control switch power supply, switching power supply in daily life are widely used in digital times, is microcontroller is used electronic products, very convenient, so in this desig
5、n USES a microcontroller. In this design documents, this paper expounds the switch power compared with linear power supply, scheme comparison, general structure design, through the keyboard expected output voltage values, preset d/a converter for output voltage by sampling, the corresponding softwar
6、e control microcontroller output pulse width, switch power for pulse width modulation, the voltage output expected. which constitutes the output 0v to 12v adjustable voltage, and display real-time voltage and the preset value. Key word: switch power semiconductor PID algorithm closed-loop control CN
7、C 目 录绪论11 概述21.1 课题背景来源21.2 电源技术的发展与方向31.3 系统基本要求62 系统方案设计62.1 开关电源工作原理62.2 开关电源与线性电源的比较72.3 系统方案论证82.4系统难点分析102.5 控制技术选择122.6 开关变换器结构分析与选择142.7 开关电路器件参数选择163 硬件电路设计183.1 电源电路设计183.2 控制电路设计214 软件设计244.1 总体编程思想245 系统调试295.1 硬件模块调试295.2 电源性能指标的测试306 结论33谢 辞34参考文献35附录一 系统原理图36绪论开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（M
8、OSFET；三极管）的导通和关断的时间比来稳定输出电压的一种新型稳压电源。它是在电子、计算机、通信、电气、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点。本文中研究的单片机控制开关电源，可以通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。并采用PID算法控制输出电压稳定，构成可输出0v到15v的可调电压，并显示实时电压和预置值，通过键盘可随时修改PID参数以优化控制效果。 单片机控制的开关电源具有设计弹性好的优点，可以按照设计者的思
9、想灵活的工作。目前电子设备的日益小型化需要供电电源的小型化，这样制作小型化电源是未来电源制作的一个趋势，传统开关电源线路一般很复杂体积也较大，如果使用的单片机作为控制核心必将可以大大简化电源的结构，制作更加小的电源将成为可能，并且使用单片机可以扩展许多功能，如显示，实时控制调整电压，可维护性强，由于目前国内有专门的PWM输出的单片机价格昂贵，普通的单片机I/O口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远达不到现代电源要求的工作频率，所以目前单片机控制的电源使用并不广泛，但是单片机在智能化以及可实现的用户友好界面，扩展性强等等方面的优势使其成为未来电源重要的发展方向。因此，我们研究单片机控制的开关电源，
10、非常有现实意义。随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积和重量不断下降，这就要求有效率更高、体积更小、重量更轻的开关电源，使之能满足电子设备的日益小型化的需要。这是未来开关电源设计所应考虑的第一个问题。开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，要进一步提高开关电源的效率，就要提高电源的工作频率。但频率提高后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。进一步研制生产出适合于高频工作的开关管、高频电容、开关变压器、储能电感等元器件是开关电源设计所面临的另一个问题。在开关电源中，由于功率晶体管工作在开关状态，当开关速度提高后，会受到电路中分布
11、电感、电容成分或二极管中储存的电荷的影响而产生较大的浪涌和噪声，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐波干扰，这些尖峰电压或电流可能会损坏电路的器件，同时污染市电电网，影响邻近的电子仪器与设备的在正常工作。虽然也可以采取一些抑制干扰的措施，在一定程度上降低这些干扰的影响，但目前阶段的精密电子仪器中，仍难以使用开关电源。因此，克服开关电源产生的各种噪声干扰，是我们要努力解决的第三个问题。1 概述 1.1 课题背景来源开关电源已有几十年的发展历史。1955年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；1957年发明的自激推挽式双变压器，1964提出的无
12、工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。1977年脉宽调制（PWM）控制器集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。与此同时，开关电源的频率也从最初的20KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此，
13、电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。1.1.1 绿色节能型开关电源 目前，国外许多著名的IC厂家都在大力开发低功耗，节能型开关电源集成电路。例如，美国PI公司采用EcoSmart节能技术，开发的TOPSwitch-GX等系列的单片开关电源。PI公司最近宣布，由于使用该公司EcoSmar技术的单片开关电源IC，可为全球消费者节约大约20亿美元大的电费。荷兰Philips公司推出的TEA1520等系列的绿色芯片，都将高效节能放在重要位置
14、。与此同时，绿色节能电源的国际标准也被普遍采用。例如，美国早在1992年就制定了“能源之星”计划，以降低开关电源的空载功耗。美国加州能源委员会（CEC）制定的强制性节能标准已从2006年7月1日开始执行，它要求电子产品必须大幅降低待机功耗和空载功耗。1.1.2 智能化数字电源21世纪初问世的智能数字电源系统以其优良特性和完备的监控功能，越来越引起人们的关注。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控，处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。此外，数字电源还可以通过远程诊断来确保系统长期工作的可靠性，包括故障管理，过电流保护以及避免停机等。数字电源的推广，为实现智能化电源系统
15、的优化设计创造了有力条件。数字电源的特点有下面几点。它是以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，采用“整合数字电源”技术实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。便于构成分布式数字电源系统。1.1.3 可编程开关电源可调式开关电源都是通过手动调节电阻值来改变稳压器输出电压的，不仅调节精度低，而且使用不够方便，数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控电阻器（Digitally Controlled Potentiometer），可简称为DCP。利用数字电位器代替可调电阻，可构成由
16、计算机控制的可编程开关电源。传统电源存在不足的地方，例如，传统电源效率不高，线性电源由于功率管是工作在线性放大状态，功率管的电流和输出电流是成比例的，因此当输出电流越大时，功耗就越大。通常，线性电源效率只有45%到50%左右，因此提高电源效率是未来电源设计，应着重解决的问题，而开关电源能够很好的解决这个问题，开关电源的功率开关管是工作在开关状态的，也就是，只是在开关管导通时，管子才会产生损耗，因此开关电源的效率比线性电源要高得多，通常可以达到80%以上，本设计选择开关电源作为研究对象，利用其输出电压和输入电压之间占空比的关系，假定输入基本稳定，利用单片机控制占空比，就可以控制输出电压，通过A/
17、D转换，采样输出电压，使用LCD显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制作。1.2 电源技术的发展与方向1.2.1 线性电源和开关电源线性稳定电源，其特点是:它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出，稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路、输出连续可调的成品。线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷还是在体积和重量上。通过输入调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消耗，并使效率更低。线性电源要达到50%的效率就不容易了，这些白白消耗掉的功率还带来散热问题。如果要使线性电源在一个通用输入电压范围(85
18、V265VAC)工作，会导致线性电源的效率更低。开关电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它的变压器不工作在工频上，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。功率开关管工作在饱和区截止区，即工作在开关状态，开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠。多年来，由于技术上的障碍(高压，大功率)，开关电源集成电路在集成化上一直因一种电流模式PWM开关电源控制器的设计得不到很大的进步。但是最近这几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新
19、的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热保护电路、限流电路、过/欠压保护电路等。通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高，转换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量
20、。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。如果把工作频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积重量可以下降至工频设计的5-10%，其主要材料可节约90%或更高。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。因此，开关电源代替线性电源是大势所趋1。1.2.2 电源技术的发展方向开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，
21、并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。 （1）高效电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展的一种集中体现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效率尤为重要。 （2）低功耗随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件
22、市场的稳步发展。 （3）智能化运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大多数笔记本，普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。 （4）高集成便携式应用的空间十分有限，这就迫使电源供应商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本，提升效能与可靠度。 （5）多功能2005年，美国国家半导体公司(NS)宣布推出一款可为先进应用及通信处理器提供供电的电源管理产品。它具有可编程的灵活性，可为采用ARM技术
23、的应用及通信处提供稳定的供电。它的电源管理单元Flex PMU是一个单芯片的解决方案，设有一个在一起的供电区。1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状电源管理始终是模拟IC市场最亮的看点，占到整个模拟IC市场31.2%的份额。据研究机构预测，2008年全球电源管理芯片销售额将上升至295亿美元，2003年到2008年的年复合增长率为12.7%，功率模拟器件将持续强劲地增长，PC、手机、数码相机、MP3以及数字电视成为最主要的增长市场。从应用领域看，电源管理芯片市场的焦点集中在便携式产品、消费类电子、计算机、通讯和网络设备应用领域，同时工业设备、汽车电子对电源管理芯片的需求也呈上升趋势，这些需求
24、让电源管理芯片市场倍添活力。由于人们在生活和工作中的移动性越来越强，对手机、数码相机、笔记本电脑、MP3播放器等便携式产品的需求将越来越大，预计2010年全球所有便携式产品的出货量将达到45亿个，这些产品构成了电源管理芯片巨大的需求市场。另外，由于便携式产品中彩屏、音视频、GPS等功能的日益多样化，对电源管理芯片的要求也日益提高，如便携式产品的空间十分有限，这就要求电源管理芯片厂商把更多的功能集成在更小封装内。我国于1974年研制成功了工作频率10KHz，输出电压为5V的无工频降压型开关电源。近20多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1
25、000W以下的无工频降压型开关电源，并应用于电子计算机、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100KHz-200KHz的高频开关于上世纪80年代初期己开始研制，90年代初就已研制成功，并逐渐走向实用阶段进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。我国的三极管直流变换器及开关电源的研制工作开始于60年代初期，到了60年代中期进入了实用阶段，紧跟着70年代初开始研制无工频变压器开关电源。1974年研制成功了工作频率为10千赫兹、输出电压为5v的无工频开关电源。近30年来，许多研究所、工厂
26、及高校已研制出多种型号的开关电源，并广泛的应用于电子计算机、通信、家电等许多方面，取得了很好的效果。工作频率为100千赫兹-200千赫兹的高频开关电源于80年代初期开始研制，90年代初试制成功，目前已经是非常成熟的电子产品。按调制方式划分可以分为： （1）脉宽调制型：振荡频率保持不变，通过改变脉冲的宽度来改变和调节输出电压的大小。通过采样电路、耦合电路构成闭合回路，来稳定输出电压。缩写为PWM(Pulse Width Modulation)。 （2）频率调制型：占空比保持不变或关断时间不变，改变振荡器的频率来稳定并调节输出电压幅度。缩写为PFM（Pulse Frequency modulati
27、on）。 （3）混合调制型：通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并输出电压幅度。通常采用的是脉宽调制型和混合调制型两种调制方式。在脉宽调制中因为频率不变，所以无论是对电路中的磁性元件及晶体管的测试和设计都很方便，而且对射频干扰的抑制也变得比较容易。混合调制则因其线路简单，也得到了广泛的应用。相对而言，频率调制较少采用。本文中采用的是脉宽调制型。1.3 系统基本要求（1）设计、制作开关电源；（2）使用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘预置输入电压，可显示预置电压和输出电压；（3）掌握开关电源的设计方法；（4）掌握单片机软件编程方法；（5）掌握PID控制原理；2 系统方案设计2.1 开关电源工作原
28、理开关电源是指调整管工作在开关方式，即导通和截止状态的稳压电源，缩写为SPS（Switching Power Supply）。开关电源的核心部分是一个直流变换器。利用直流变换器可以把一种直流电压变成极性、数值不同的多种直流电压。 图2.1所示电路的工作过程为：假设基准电压为5v，由于电网波动导致输入电压减小，那么输出电压也将会减少，此时，所采样的电压将减小，假设为4.9v，误差为0.1v，经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大，同理，当由于电网波动导致输出电压增大时，脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。整流滤波电路开关管滤波电路采样电路比
29、较放大脉冲调宽输出输入基准电压图2.1开关电源原理框图按电源电路中功率管的工作方式划分，电源可以分为开关电源与线性电源两大类。线性电源是发展较早的一种电源，其功率管工作在线性放大区。开关电源是在线性电源的基础之上发展起来的，并在很大程度上克服了线性电源的缺陷，但其自身也有一定的不足。2.2 开关电源与线性电源的比较2.2.1线性电源的缺点（1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；（2）体积大、重量大，不能小型化；（3）必须有较大容量的滤波电容。造成这些缺点的原因是：（1）线性电源中功率晶体管V在整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体管本身的功耗与输出电流成正比。
30、这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大。为了保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。（2）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，他的效率只有80%-90%。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率，就必须增大滤波电容的容量。2.2.2开关电源的优点（1）功耗小，效率高。图2.1中，开关管V在脉冲信号的控制下，交替工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，频率一般在50到200千赫兹。这就使得功率开关管的损耗较小，电源的效率可以大幅度提高，其效率可以达到80%以上。（2）体积小，重量轻。由于没有采用大型的工频变压器，并
31、且在开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去较大的散热片，因此开关电源的体积和重量都可以得到减小。（3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。例如，若开关电源的工作频率为25千赫兹，是线性稳压电源频率500倍（25000/50赫兹），这使滤波电容的容量可以相应的缩小500倍，这使滤波电路中元件的体积和重量得以减少，同时也节省了成本。2.3 系统方案论证单
32、片机控制的开关电源，从对输出电压控制的角度分析，可以有几种可行的方案。2.3.1方案1方案1：单片机通过数模转换输出一个电压，用作电源的基准电压，电源可以通过键盘预置输出电压，单片机不加入反馈控制，电源仍要使用专门的PWM控制芯片，工作过程为：当通过键盘预置电压时，单片机通过D/A芯片输出一个电压作为控制芯片的基准电压，这个基准电压可以使得控制芯片按照预置电压值，来输出控制脉冲，以输出期望输出电压。2.3.2方案2方案2：在方案1的基础上，单片机扩展模数转换器，不断的检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值的差值，调整后，通过D/A芯片输出一个基准电压，控制专门的PWM控制芯片，间接的控制
33、电源工作。2.3.3 方案3方案3：单片机扩展A/D转换器，不断检测输出端的电压，并根据电源输出电压与键盘预置电压的差值，输出一个PWM脉冲，直接控制电源的工作。2.3.4方案分析方案1分析：单片机没有加入反馈控制，只是输出一个基准电压，这样单片机的作用非常的小，而且仍要使用专门的控制芯片，价格比较贵，电源成本增加，削弱了单片机的作用，不宜采用。方案2分析：单片机加入了反馈控制，作用得以利用，但是需要扩展A/D和D/A芯片，而且还是需要专门的PWM控制芯片，成本比方案1更高，更不宜采用。方案3分析：这个方案，单片机不仅加入了反馈控制系统，而且作为控制核心，单片机得以充分利用，而且省去了D/A芯
34、片，成本大大降低，是真正的单片机控制。综上所述，本设计选择第三种控制方案，单片机使用89C52，A/D芯片采用ADC0804，采用LCD显示采样值，键盘预置电压，设计任务要求输出可调，所以设定值需要从键盘输入，实现输入不同的电压，输出便可以输出不同的电压。2.3.5总体结构设计系统工作原理图如图2.2所示：市电经过整流滤波后，一路电压经过7805稳压得到一个+5v电压，该电压作为单片机的工作电源，另外一路电压直接作为开关变换电路的输入电压。单片机根据键盘输入值和取样值之间的差值，修改脉冲占空比，并输出控制功率开关管，以便得到期望的输出电压值，并根据模/数转换器所采样的电压和键盘输入比较，根据差
35、值调用PID算法再次修改脉宽使输出电压稳定。开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放能量给负载。单片机定时采样输出端的电压，通过ADC0804送进单片机进行处理，单片机根据处理结果输出更新的控制信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出控制信号控制功率开关管工作状态。在本系统中，用户可以根据需要从键盘输入期望的电压，单片机会根据键盘输入与采样电压的差值，更新脉宽，使电源输出相应电压，更新脉宽后，单片机会马上调用PID控制算法，对输出电压进行稳定控制。 闭环时，电源自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置的电压变化时，先将键盘输入值和从输出端的取样值相比
36、较，假设当前键盘输入为10v，从输出端取样的值为6v，差值为4v，则系统会根据这个差值，更新脉宽使得输出端电压上升为10v；同样，当键盘输入为6v，输出端取样值为10v，差值为-4v，系统会根据算法，将占空比减小以使输出电压变小，这就是系统脉宽调制过程。同时，电源可以自动稳压，假定在某一正常状态下，输出为V0，反馈电压问Vf（Vf=V0），用户设定电压为Vs，当V0=Vs时，偏差为0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即V0Vs时,单片机采样的电压也增加，单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小，从而使电压下降，同样当电网波动使输出电压下降时，即V0Vs时，单片机修改脉宽使导通时间
37、变长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压。整流滤波电路开关变换电路整流滤波电路控制电路辅助电源LCD显示取样电路键盘图2.2 单片机控制开关电源系统框图2.4系统难点分析2.4.1如何提高电源工作频率困难分析：现代开关电源的工作频率已经可以达到300千赫兹，本次设计虽然采用了24M赫兹的晶振频率，可以通过单片机定时输出40千赫兹的频率，但是开关电源要求的是单片机的处理速度要足够快，51系列的单片机，即使使用24M的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，它的速度仍是比较慢的，而且这里单片机还需要做采样电压，扫描键盘，PID控制等等很多的工作，那么单片机就更加慢了，就算忽略这方面的影响，单
38、片机可以通过定时器中断产生40千赫兹的频率，但是定时器中断产生的脉冲的有效电平，即占空比是不能够改变的，只能是50%，要设计输出可调的开关电源，显然行不通。解决办法：现在的问题在于单片机输出的脉冲占空比无法改变，硬件更改，只能是更换处理速度高的单片机，但是成本又增加了，而且还不一定比使用专门的PWM控制芯片的控制性能可靠，所以在此选择在软件上解决，具体思路为：首先定义两个变量，一个周期T，一个占空比D，给它们赋值，T大于D，先让单片机I/O输出高电平，让T，D同时计数，当D计算到预计值，I/O口为低电平，然后低电平一直延续到T值时，I/O口输出高电平。改变D，T的值可以改变脉冲频率，改变D值可
39、以控制占空比。算法需要使用定时器，根据电源的工作频率设定定时时间。算法为：D=100，T=1000；/定义变量，并赋值，占空比为100/1000=10%VOID tim0 ()/定时中断P1.0=1;/P1.0输出高电平D+;/同时计数 T+; If（D=100）P1.0=0；/D到预计值，输出低电平 If （T=1000）P1.0=1；/T到预计值，输出高电平D=0；T=0；/清零只要单片机时钟频率足够高，可以输出任意的频率。2.4.2储能电感的绕制使用储能电感目的在于，在功率开关管截止时，为负载存储能量，电气上的作用是把开关方波脉冲积分成直流电压。本次设计储能电感的磁体要求为工作频率为10
40、0千赫兹，直流电阻小于0.3欧姆，饱和电流大于2A。需要自己绕制，所需最小电感值可以由公式计算 式中为估计最大输入电压下，开关管导通时间，根据设计前辈们的经验，估计为开关周期的30%是比较合适的。代入数据求得，取电感的设计方法为 其中为加入气隙的高磁导率材料铁心电感的截面积，为电感窗口截面积，其中I为电感电流有效值，为导线的电流密度，为绕组填充因数，（0）。，为铁心中的磁通密度。计算出值，对照铁心产品手册，选择大于值的产品，即可查得对应的铁心截面积，由式确定绕组匝数。2.4.3标度转换技术本次设计使用了ADC0804，这种芯片只能采样0到5V的电压，所采集回来的电压对应的是0到255的数字量，
41、而用户从键盘输入的是电压值，为了进行比较，需要经过标度转换，转换为数字量，以得到同样的单位量纲。控制系统检测的被控对象的参数有着不同的量纲和数值。所有这些参数都需要通过变送器转换为电信号，再通过A/D转换器或者V/F变换器转换为计算机所能处理的数字量。由于不同参数的变化范围和量纲是不同的，因此同样的数字量表示的模拟量可能是不同的。如同样是数字量255，可能表示的是5V的直流电压，也可以表示其他的量；即使是相同的量纲，如果变化范围不同，相同的数字量表示的模拟量也是不同的，数字0所以控制系统在进行显示、打印、记录和报警等操作时，必须把这些数据转换成相应的不同量纲的物理量。这就是标度变换技术。本次设
42、计的标度转换为：键盘输入为：0到12V；采样0到5V电压对应数字量为0到255 变换程序：r=input*255/12;/input为键盘输入值,r为转换后的数字量就是说使预置的0到12v的转换为0到255的数字量，这样单片机系统才能够进行正确的比较处理。2.5 控制技术选择2.5.1电压型控制技术从自动控制理论的角度来说，目前应用相当的广泛的传统的脉宽调制（PWM）型开关电源只对输出电压进行采样，作为反馈信号来实现闭环控制。这种控制方法属于电压控制型，这是一种单环控制系统。第一块功能完全的电压控制型脉宽调制电路是1976年问世的SG3524，紧接着各公司又相继推出了多种电路，例如TL494、
43、SG3525等等。它们的功能更多、截止频率更高、功耗更小。但是它们的基本工作原理都是相同的。电源的输出电压与参考电压比较放大，得到误差信号，又和三角波信号比较后，脉冲比较器输出一系列脉冲，这些脉冲的宽度即随着误差信号的变化而变化，这就是电压控制型PWM控制原理。本次设计采用的是单片机进行PWM控制，用软件实现反馈电压和设定电压的比较，根据误差值，通过PID算法处理，修改控制脉冲占空比，控制电源输出一系列脉冲。但是电源中的电流总是会流过电感的，对于电压信号将有90度的相位延迟，对于整个稳压系统来说，实际上需要不断调节是输入电流，以摄影输入电压和负载变化从而保持输出电压稳定的要求。这种采样输出电压
44、的方法实现控制，响应的速度较慢、稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，造成功率开关管的损坏。2.5.2 电流型控制技术针对电压型控制的不足，可以采用电流型控制技术，它是在电压控制型的基础上，增加电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立的变量， 电流型开关电源变换器是一个双环控制系统，内环为电流控制环，外环为电压控制环。当开关管导通时，流经电阻的电流与流过输出滤波电感的电流成正比。从输出采样的电压信号加到误差放大器的反向输入端，正相输入端为基准电压，其误差经放大后的电压加到PWM比较器的反向端，当加在比较器正相端的正比于的电流取样信号（三角波，其频率决定开关频率）升到时
45、，比较器输出端输出一个正脉冲加至锁存器的复位端，锁存器的反向端输出便使得开关管截止。当发生变化导致变化时，或变化导致变化时，便使比较器输出脉冲相对于时钟脉冲在时间上提前或滞后，从而改变开关管的占空比实现PWM 控制，达到稳压的目的。因此，变换器的内环是一个恒流源。2.5.3电流控制型技术的优势与电压型控制相比，电流型控制有以下优势：（1）对输入电压变化的响应快；电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。对于电压型控制，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变
46、化后，才会进行处理，所以响应速度慢。（2）过流保护；由于采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测输出和开关管电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件，这样设计电路时就不需要考虑留什么余量，能节省一些成本。（3）回路稳定性好，负载响应快；电流型控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的，这样电感的相位延迟就不存在了。2.6 开关变换器结构分析与选择 开关电源的核心是高频
47、开关变换电路和脉冲控制电路。高频变换电路把直流输入变换成高频脉冲输出。输出电压平均值,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（）与截止时间（），达到控制输出电压目的。隔离电路采用高频变换器件和高频隔离变压器。开关电源的四中组态为：（1）Buck变换器；（2）Boost变换器；（3）Buck-Boost变换器；（4）CUK变换器。2.6.1降压变换电路分析这种开关型电源是直流供电，经过开关电路得到单方向方波，再经过滤波后又得到与输入电压不同的稳定的直流。它们的输出电压总是比输入电压低。当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关元件被控制截止时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时，续流二极管正向导通，构成闭合回路。电容起到平滑输出的作用。电路中开关管和负载电阻是串联的，所以也称它为串联开关电源。 图2.3 Buck变换器当开关管导通时，电感上的电流处于最小值，此后电感电流开始上升，但电流仍低于负载电流Io，于是电容仍向负载供电，因此输出电压下降。当电感电流上升到等于Io时，电容停止向负载供电，此时输出电压达到最小值。随着电感电流的继续上
