毕业设计（论文）开关电源设计

1、i 摘 要 【摘要】本次设计的主要目的是实现一个开关电源，开关电源在日常生活中应用非 常广泛，比如电视机、电脑、冰箱以及其他常用的电子产品都需要开关电源，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，并附以相关电路图表示，最后生成相关了 pcb 电路图 【关键词】线性，半导体，开关，储能，转换，控制，滤波，分压，抖动 【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 录 摘摘 要要.i 绪绪 论论.1 第一章第一章 概述概述.2 1.1 课题来源及意义.2 1.2 课题基本要求.2 第二章第二章 开关电源方案设计开关电源方案设计.4 2.1 开关电源工作原理.4 2.2 开关电源与线性电源的比较.4 2.2.1 线性电源的缺点 .4 2.2.2 开关电源的优点 .5 2.3 方案论证.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 总体结构设计 .6 2.4 难点分析.7 2.4.1

5、 如何提高电源工作频率 .7 2.4.2 储能电感的绕制 .8 2.4.3 标度转换技术 .9 2.5 控制技术选择.10 2.5.1 电压型控制技术 .10 2.5.2 电流型控制技术 .10 2.5.3 电流控制型技术的优势 .11 2.6 开关变换器结构分析与选择.11 2.6.1 降压变换电路分析 .11 2.6.2 升压型变换电路 .13 2.6.3 buck-boost 型变换器.13 2.7 开关电路器件参数选择.14 2.7.1 功率开关管的选择 .14 2.7.2 滤波电容的选择 .15 目录 iii 2.7.3 储能电感的选择 .15 2.7.4 续流二极管的选择 .16

6、第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计.17 3.1 电源电路设计.17 3.1.1 整流滤波电路 .17 3.1.2 开关变换电路 .17 3.1.3 分压电阻的计算 .18 3.1.4 保护电路 .18 3.2 控制电路设计.19 3.2.1 反馈电路设计 .20 3.2.2 四位数码显示电路设计 .21 3.2.3 单片机与键盘接口电路设计 .22 第四章第四章 软件设计软件设计.23 4.1 总体编程思想.23 4.1.1 键盘防抖动子程序 .23 4.1.2 数码显示子程序 .24 4.1.3 采样子程序 .25 4.1.4 中断处理程序设计 .26 4.1.5 pid 控制算法.2

7、7 4.1.6 数字滤波 .28 第五章第五章 系统调试系统调试.29 5.1 硬件模块调试.29 5.1.1 整流滤波电路的调试 .29 5.1.2ad 转换的调试.29 5.1.3 脉冲输出电路的调试 .29 5.1.4 功率开关管的调试 .29 5.2 电源性能指标的测试 .30 5.2.1 开关电源的技术指标 .30 5.2.2 输出电压的测试 .31 5.2.3 最大输出电流的测试 .32 5.2.4 过流保护的测试 .32 5.2.5 电压调整率的测试 .32 5.2.6 纹波电压的测试 .33 物理与电子工程系毕业论文 iv 第六章第六章 结论结论.34 参考文献参考文献.35

8、致致 谢谢.36 附附 录录.37 绪 论 1 绪 论 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 3v 到 12v 的可调电压

9、，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，并该系统可以给芯片提供工作电压，加以扩展 可构成输出正负 3 到 12 伏的双极性电源。 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

10、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，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。 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

11、中分布电感、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，同时这些干扰会污染市 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。 电气工程系毕业设计 2 第一章 概述 3 第一章 概述 1.1 课题来源及意义 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、 自动控制技术的

12、多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与 现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前 电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通 讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高 质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。 -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，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

13、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。 -电源，如今已经是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到高尖端的科 技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中不断的发 展起来的。 电源的重要性不可否认，但是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

14、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/d 转换，采样输出电压， 使用数码管显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制作。 1.2 课题基本要求 （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； 物理与电子工程系毕业论文 4 （3）掌握开关电源的设计方法；

15、 （4）掌握单片机软件编程方法； （5）掌握 pid 控制原理。 1.3 课题相关背景 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

16、。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 modulation） 。 （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

17、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。 第二章 开关电源方案设计 5 第二章 开关电源方案设计 2.1 开关电源工作原理 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

18、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

19、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 物理与电子工程系毕业论文 6 成正比。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

20、，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

21、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 方案论证 单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

22、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。 第二章 开关电源方案设计 7 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

23、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 芯片，成本大大降低

24、，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 89c51，a/d 芯片采用 adc0832，采用 4 位数码管显示采样值，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

25、的电压和键盘输入比较，根据差值调用 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 adc0832 送进单片机进行处理，单片机根据处理结果输出 物理与电子工程系毕业论文 8 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

26、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

27、，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 四位数码管 取样电路 键盘 图 2.2 单片机控制开关电源系统框图 2.4 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 第二章 开关电源方案设计 9 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

28、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

29、：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

30、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 100 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 min4 . 1 )max( min iout tonvoutvin l ton 物理与电子工程系毕业论文 10 时间，根据设计前辈们的经

31、验，估计为开关周期的 30%是比较合适的。 代入数据求得，取uhl 8 . 76min uhl100 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aeawap ae 感的截面积，为电感窗口截面积，其中 i 为电感aw nbm l ae im kcj ni aw 电流有效值，为导线的电流密度，为绕组填充因数， （08;tl0=tim0; pwm=pwm 4.1.5 pid 控制算法 设计原理：采用单片机作为控制器的闭环系统，它是由 89c51 单片机系统 通过 a/d 电路采集过程变量 v，并根据有关的算法控制变量 u，通过输出 pwm 控 制脉冲到执行机构，使过程变量稳定在设定的值上。

32、 pid 调节规律可以通过数值公式： 近似计算。)0122()01()0(yyykdyykpyrkiu 其中：为 pid 参数，y0 为本次采样值，y1 为上次采样值，y2 为上kdkikp, 两次采样值。 ，r 为设定值，u 为控制量的增量。 ad 转换采样的电压转换为 0 到 255 之间的数字量，设定的值要转换为对应 的数字量，本电源在 3 到 12 伏可调，那么需要把 0 到 12 伏转换为 0 到 255 的 数字量，转换公式为 12*255/12=255，即 255 对应 12v，经转换以后就可以相互比较。 开关调整 电路 89c51 单片机 a/d 转换 器 图 4.4 单片机闭

33、环控制系统框图 物理与电子工程系毕业论文 30 4.1.6 数字滤波 数字滤波就是把 n 组采样值相加，然后取其算术平均值作为本次有效的采 样信号，即： y n =1/n e（j） 数字滤波适用于有随机干扰的信号的滤波，适合于信号本身在某一数值范围附 近上下波动的情况。由于随机干扰信号在很多情况下可近似认为是统计平均值 为零的白噪声，因此采用求平均值的方法可以消除随机干扰，实现对采样信号 的平滑加工。但数字滤波可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低。采样次数 n 的取值随被控对象的不同而不同。对于 pid 差值，同样是采用取平均值的方 式处理。 本采样程序中，数字滤波算法为： n+;/采样次数值

34、 =adc0832();/采样值 adc ;/采样值相加adcss if(n19) n=0; 0=s/20;/求平均值para s=0; pid 差值的滤波 u0=(u0*3+u)/4;/u 控制增量，假设当前控制增量为 u0，则取 4 次平均值 第五章 系统调试 31 第五章 系统调试 5.1 硬件模块调试 5.1.1 整流滤波电路的调试 这一部分可以在面包板上模拟，将电路连接后，接通电源，先测量变压器 的输出，由交流档位所测得的电压为 12.96v，再测量整流输出的电压，需要注 意将整流桥正确的连接，否则会导致整流输出电压不正确，甚至烧坏稳压块。 检查没有错误后，再测量整流输出电压为 14

35、.9v，和理论值相近，同时所测量 稳压块输出为 5.10v，电路正常工作，可以给单片机供电。 5.1.2ad 转换的调试 通过稳压电源给转换器一个 5 伏电压，改变电压，观察数码管所显示数值 可以跟随电压变化而变化，用万用表测量电压，和显示值相比较也相近，可见 模数转换是正常工作的。 5.1.3 脉冲输出电路的调试 控制脉冲是直接输入到开关管的基极的，在制板之前，用面包板模拟脉冲 信号是否可以直接控制开关管的导通和截止，若使用开关管发射极输出型变换 电路，在发射极所输出的脉冲信号，幅度会很小，效果不好，通常采用集电极 输出型开关电路。将电路连接好，用示波器观察基极输入信号和集电极的输出 信号，

36、观察发现，输入信号幅度较小，但是经过开关后，在集电极的输出信号， 幅度明显被放大，效果比较好，说明控制脉冲可以直接控制开关电路，信号稳 定。 5.1.4 功率开关管的调试 将已经制作好的电路板放置好，避免和导电物体接触造成短路，然后，将 控制信号输入功率开关管基极，用示波器观察，通过按键从键盘输入不同的预 置电压，使用示波器另一通道观察开关管集电极输出信号，观察发现，当键盘 输入不同的电压时，输入输出的波形均发生变化，当预置电压从 12v 变小时， 控制脉冲的占空比也相应的变小，当预置电压从小变大时，脉冲信号的占空比 又相应的增大，可见键盘能够控制系统更新脉宽，并能够控制开关管工作，这 物理与

37、电子工程系毕业论文 32 部分调试完毕。 5.2 电源性能指标的测试 开关电源的技术指标有通用事项、包括电源名称、适用规格等，首先是安 全规格，有关开关电源都有相应的安全规格，例如，国际规格为 iec950、iec65；亚洲为电气用品管理法（日本） ；欧洲统一规格为 en60- 950、en60065，其中北欧的 vde（德国） ，bsi（英国） ，sev（瑞士） 。有关 emi 的规格，日本为 vcci1 类，2 类；美国为 fccp15j a 类，b 类；德国为 vdeo871 a 类，b 类；国际上为 cisprpub11、pub12。电气技术指标有输入与输出条件附 属功能等。机械结构为

38、外形、安装和冷却条件等。环境条件有温度、湿度、振 动和冲击等。其它条件有噪声规定、可靠性等。 5.2.1 开关电源的技术指标 （1）输入技术指标 作为开关电源的输入技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的变 化范围、频率、输入电流一般为单相 2 线制和 3 相 3 线制，还有单相 3 线制及 3 相 4 线制等。输入电源的额定电压因各国或地区不同而异，例如，美国规定 的交流输入电源电压为 120v，欧洲为 220 到 240v，日本为 100v 及 200v，我国 为 220v 及 380v。输入电压的变化范围一般为10%，加上配线路径及各国的具 体情况，输入电压的变化范围多为-15%到+

39、10%。 工作频率为 50hz 或 60hz，在频率变化范围不影响开关电源的特性时多半 为 48 到 63hz。开关电源最大输入电流是表示输入电压为下限值时，输出电压 及电流为上限值时的输入电流。额定输入电流是在输入电压及输出电压、电流 为额定时的电流。开关电流的平波输入方式是电容输入方式，有较大的峰值电 流，要有考虑电流的波峰系数以及功率因数的规定。 （2）输出技术指标 输出端的直流电压的公称值称为额定输出电压，对于其公称电压规定有精 度与纹波系数等。 额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流。根据电子设备的不同， 多路输出电源中某路输出电流增大，另路输出电流就得减小，保持总的输出电 流

40、不变。 稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率，输出电压变动有多种原因。 输出电压可调范围是指在保证电压稳定精度条件下，由外部可能调整的输 出电压范围，一般为5%或10%。条件是输入电压的下限时输出电压的最大值， 第五章 系统调试 33 以及输入电压的上限时输出电压的最小值。 纹波是与输出端呈现的输入频率及开关变换频率同步的分量，用峰-峰值 表示，一般为输出电压的 0.5%以内。噪声是输出端呈现的除纹波以外频率的分 量，也用峰-峰值表示，一般为输出电压的 1%，也包括与纹波没用明确区分的 部分，规定是纹波与噪声的合值，多数场合是规定纹波噪声总合的情况，为输 出电压的 2%以内。 （3）附属功能

41、 过电流保护 输出短路或过负载时对电源或负载要进行保护，即为过电流保护。保护特 性有额定电流下垂特性；恒流特性；恒定功率特性，多数为下垂特性。过电流 的设定值一般为额定电流的 110%到 130%。但一般不损坏电源与负的范围内，特 别不规定短路保护时的电流值的情况很多。一般为自动恢复型。 开关电源的技术指标包括：特性指标和质量指标。特性指标包括输出电压、 输出电压调节范围、输出电流、最大输出电流；质量指标则包括纹波电压、输 出电压调整率等。 5.2.2 输出电压的测试 测试时，先将负载电阻 rl 断开，用万用表测量电源的输出电压 vo，从键 盘预置不同的电压值，一一测量，并和数码管显示值相比较

42、，若测量结果显示， 输出电压可以跟随键盘输入的变化而变化，同时数码管显示值也发生变化，并 且与测量结果相近，则电路是正常工作的。假如检查过程中发现，电路失去了 调节作用，输出电压完全不随键盘输入变化而变化，则应检查开关管的各极的 电压是否正常，主要检查 vbeo、vceo，分析其是否已经工作在开关状态，以找 出电源工作不正常的原因。 测试电路如图 5.1 所示，进行输出电压和输出电压调节范围的测试时，均 采用这个测试电路。 测试步骤：先调节交流调压器，使输入电源电路的交流输入电压为 220v， 在电源电路的输出端，选择适当的负载电阻 rl 的阻值（可以取阻值为几十到几 百欧姆、额定工作电源大于

43、本电源电路最大输出电流的滑变电阻）使电源的输 出电流为规定值，在此，取输出电流为最大输出电流的 1/2，为 1a（最大输出 电流为 2a，额定电流为 1a） ，则取 rl 电阻值为 12 欧姆，观察电流表读数达到 达 1a 后，用万用表测量输出电压，测量值为 11.96v，在 120.5 这个范围内， 符合任务要求指标；通过键盘改变预置电压，使输出电压输出最小值 3v，同样 调节变阻器使得输出电流，达到最小值，再次测量输出电压，测电压为 3.1v， 物理与电子工程系毕业论文 34 在 35%的误差范围内，则所测量的输出电压范围为 3.1v11.96v。其中，vi 为电网输入电压，vs 是电路输

44、入电压。 整流 滤波 整流 滤波 vi vs 电流表 负载电压表 图 5.1 输出电压或者输出电压调节范围的测试电路 5.2.3 最大输出电流的测试 测试电路同样按照图 5.1 连接，测试步骤为： 调节交流调压器，使电源电路输入电压为 vmin=220 x(1-10%)=198v,从键盘 预置最小的电压，使输出电压为最小值，取负载电阻为 1.5 欧姆，使得输出电 流达到最大值 2a，测量此时电压为 3.2v，然后，断开和接通负载，分别观察输 出电压的变化情况，当负载从断开到接通时，测得的输出电压没有明显的变化， 仍为 3.3v 左右，由此判断电源可以输出这样的最大电流为 2a。 若在测试中发现

45、输出电压有明显的变化，则需要适当限制输出电流或者输 出电压。 5.2.4 过流保护的测试 测试电路仍采用图 5.1，测试步骤：调节交流调压器，使电源电路的输入 电压为 220v，使用滑动变电阻器，取得适当的负载电阻值，调节变阻器，分别 测量输出电压为最大值、中间值、最小值三个点，调节变阻器，使与负载电阻 rl 串接的电流表指示值略大于最大输出电流值 2a，调节后显示值为 2.2a，当 电流到达此值时，所测得的输出电压为 0v，说明过流保护电路在电流超过规定 值时，将输出端短路，同理，当调节变阻器使输出电流小于 2a 时，电源输出电 压正常。 5.2.5 电压调整率的测试 电压调整率是指在直流电

46、源负载不变，即负载电流不变的情况下，输入电 压变化，包括电网电压变化时，输出直流电压变化的相对值，用公式表示为： 第五章 系统调试 35 ，式中为电网电压为 220v 时所对应的输出直流电压值，vovosd/vo 为电网电压从 220v 分别变化到电网电压+10%（242v）和-10%（198v）时，vo 输出电压的变化量。电压调整率越小，电源稳定性越好。 测试电路仍采用图 5.1，测试步骤：通过键盘预置电压为最大值、最小值、 中间值，使得输出电压分别为 11.6v、3.2v、6v，分别调节变阻器使得输出电 流在这几个点均达到输出电流的最大值 2a，然后调节调压器，使得交流输入电 压为 242

47、v，测得此时的输出电压=11.83v，再调节交流调压器，使交流输入1vo 电压为 198v，测得此时的输出电压=11.56v，再次调节调压器，使交流输入2vo 电压为 220v，测得此时电压=11.9v，根据电压调整率的计算公式得vo %26 . 2 %100 9 . 11 56.1183.11 %100 21 vo vovo sd 5.2.6 纹波电压的测试 纹波电压是指叠加在输出电压上的交流电压分量的有效值或者峰峰值。测 试步骤：交流纹波电压的最大值一般出现在负载电流最大的时候，因此,测试输 出纹波电压时，应当使负载电流达到最大值。 输出电压中的纹波电压有效值可以使用毫伏表测出，而峰峰值可

48、用示波器 测量，由于纹波电压并不是正弦波，采用毫伏表测量的读数，不能代表纹波电 压的有效值，所以这里采用示波器观察纹波电压的峰峰值，所测得的纹波电压 峰峰值为 65mv 左右，符合任务要求。如果要求更小的纹波电压，以使输出电压 脉动更小，可以加大滤波电容。 测试结果： 输出电压范围为 3.1v11.96v； 最大输出电流为 2a； 电压调整率 2.26%； 纹波电压峰峰值 65mv 物理与电子工程系毕业论文 36 第六章 结论 本文设计利用单片机实现对开关电源的智能控制，实现智能化开关电源的制 作。通过键盘预置电压，控制单片机进行脉宽调制，使输出电压在大范围内可 调。应用这个结论，采用工作频率更高，位数更高的单片机可以制作性能更加 优越，工作频率更高的、智能化程度更高的开关电源，比如说，利用单片机， 可以控制当电源长时间不使用时，自动关闭电源；如果采用片内带模数