脉冲宽度调制型开关稳压电源的设计

1、洛阳理工学院毕业设计（论文） 脉冲宽度调制型开关稳压电源的设计摘 要本论文重点论述了一种以AT89C51单片机为控制器的稳压开关电源，主电路采用典型单端反激电路模式，该稳压电源系统包括主电路、控制电路、驱动电路、过欠流保护电路、过欠压保护电路等。它具有电路结构简单、系统组成元件少、保护功能完善、应用范围广泛等优点。 主体部分首先介绍开关电源的发展和现状，然后介绍稳压开关电源的工作方式，PWM控制器的基本原理，接下来设计了电路的整体框架和各部分分支模块，51系列单片机作为控制核心，输出电压在0到100V可调，输出电流需要达到2A，步进的精度是1V,通过改变数字量来改变输出电压，通过矩阵按键来对电

2、源的输出电压进行数字设定，输出电压的反馈采用“同步采样”方式，可以有效避免电压尖峰对信号检测的影响。采用多种有效措施降低电磁干扰（EMI），增强电磁兼容性（EMC）。将键盘控制设定的模拟电压转换成数字电压显示于数码管。关键词：开关电源，PWM，单片机，数模转换器The Design of PWM Control Switch Regulated Power Supply ABSTRACTFocused on this article is a AT89C51 single-chip controller for switching power regulator, The width of p

3、ulse is controlled by PWM, the main circuit used a typical single-ended flyback circuit model. The system consists of the main circuit, control and drive circuits, over-current protection circuit. Simple circuit structure, less the original system components, wide application range are advantagesFir

4、stly introduce the development and current status of switching power supply, then a switching power supply works and basic principle about PWM is introduced, the design of the overall framework and the various parts of the branch circuit under the guidance of methodology of integrated circuits desig

5、ned the total circuit is last. Then, the author simulates functions of module. 51 series single chip processor as the core.The output is adjustable from 0 to 100, output current can reach 2A, step accuracy is 0.1V. To change the output voltage by changing the digital quantity, the output voltage syn

6、chronous sampling methods, can effectively avoid the impact of signal detection voltage spikes, using a variety of effective measures to reduce electromagnetic interference, enhanced electromagnetic compatibility through the button to set the output voltage of power supply, to set the keyboard to co

7、ntrol the analog voltage is converted into digital display voltage on the digital tube.KEY WORDS: Switching power supply, AT89C51, PWM control signal chip, Digital to analog convert3目录前言1第1章 开关稳压电源发展及本文的工作21.1 PWM开关电源技术的发展与研究现状21.2 拟解决的主要问题3第2章 开关稳压电源的结构及具体设计42.1 PWM开关稳压电源的概念42.2 PWM开关稳压电源的特点42.3开关稳

8、压电源的电源结构52.4 设计要求62.5方案的选择62.5.1 备选设计方案62.5.2方案论证8第3章 系统的硬件电路设计103.1系统的原理框图与电路图103.2系统组成原理113.3 电源部分123.3.1稳压电路结构组成123.3.2 电源设计143.4数字控制部分153.5信号处理电路153.6键盘与显示部分163.6.1显示部分163.6.2 键盘部分163.7 输出电路173.7.1 稳压输出部分173.7.2 输出电压显示电路183.8变压器的设计183.8.1概述183.8.2变压器的设计方法183.8.3变压器的设计步骤20第4章 系统的软件设计224.1开关电源的软件组

9、成224.2系统的控制算法234.2.1数字滤波器的设计234.2.2数字控制器的设计234.3中断程序244.4键盘显示程序254.5稳压控制254.6系统误差分析26第5章 扩展电路275.1抑制纹波275.2过流保护275.3过电压欠电压保护28结论30谢 辞31参考文献32附录34外文资料翻译39前言新世纪以来稳压电源已被广泛地应用于各行各业中，就像现在的手机一样，有着非同一般的地位，对人们的日常生活，有很大的影响。八十年代初期，随着微电子学的迅猛崛起，大规模的集成技术渐渐趋于完善，稳压电源的成本相对其他产品较低，而且性能很好，稳定可靠，控制电路应用方便，因而使开关稳压电源的电路可以变

10、得相对简单许多；同时近年来，随着开关电源电路设计的快速进步以及应用的功率元件的迅猛发展，开关稳压电源的性价比也发生非常大的改变，因此，新世纪以后开关稳压电源得以快速迅猛发展。开关电源在如今的所有直流稳压电源中比例已占百分之七十左右。本设计开关稳压电源的输入为普通交流电220V，频率是国家标准50Hz，需要输出电压是0V100V内不间断同时可以调节，输出的电流值能够达到2A，而且需要直观的显示出来输出电压值。电源的控制部分电路准备让AT89C51单片机为全部系统的核心部分，还有数/模转换功能，具有线路结构简单、稳定性能好、显示更加的清晰和直观等优点。本论文中论述了电源的全部系统结构和其工作原理，

11、之后详细的讲述了D/A、开关、显示、稳压等电路的实现原理。同时还对给控制电路的硬件以及软件流程的规划进行了阐述。开关电源的应用普及，牵涉到许多学科，它是一个技术比较密集得产品，不仅仅是一个单单的电源。它在计算机、信息、自控、交通的处理，信息的处理之速度也越来越高，供电电压就会一降再将；工作时的电流越来越大，不再使用原来的电路。所以，稳压电源必须使用新的电路、芯片。应用人员进一步在微处理器开关稳压电源上使用，大大地简化了开关电源的系统结构电路，产品的可靠性得到迅速提高，产品的开发速度进一步加快。微处理器的使用使得开关稳压电源有了更多的功能极大的拓宽了开关电源的市场范围。稳压电源可以依据不同的负载

12、，完全自动的选择功率，电压，使得开关稳压电源智能化。现在的开关稳压电源向着绿色化、自动化、智能化、数字化的方向发展。将来有一天也许会出现高端的开关电源。 第1章 开关稳压电源发展及本文的工作1.1 PWM开关电源技术的发展与研究现状新千年以来稳压电源作为动力之源异军突起蓬勃发展，我们的日常生活无时无刻不用到他，一个很明显的现象就是，当你一个人火车旅行手机势必不可少的工具，然而手机一族最担心的就是手机没电，旅行移动电源可以解决这样的问题，可见它的发展对我们的日常生活多么的重要，50年代以来伴随着历次的电子学革命得到飞跃的发展。在稳压电源出现之前工业上的电源大多采用线性电源，这种电源有很多缺点比如

13、：转换效率地，工作时间短，而且体积比较笨重，不适合大规模的使用以及推广，生产生活的需要推动了电源产业的进步，1955年耶罗研制成功了晶体管控制器，开启了电源产业崭新的一页，60年代以来，微电子学得到巨大的发展各种新型的晶体管开始出现，能够承受较大反向电压的晶体管诞生了，这具有里程碑式的意义，至此日常生活电压可以不必经过变压器而进入变换器，大大方便了电压变换。同时电源的体积得到降低，电源的可靠性也有极大的改善，更加的安全可靠，稳压电源的发展涉及很多学科，相关学科的进步都可能对它的进步产生影响，吸取其他学科的精华稳压电源产生了新的进步。进入70年代相关的高压、高频晶体管以及电容的出现开启了新的革命

14、，稳压电源进入有一个蓬勃进步的十年，稳压电源在工业、农业以及军工方面发挥巨大的作用，从天空的嫦娥到海底的蛟龙无不存在着稳压电源的身影，可以自信的说开关电源的前景会更加辉煌。最近几年PWM型稳压电源成为研究的新宠，相关的研究成果不断涌现呈现巨大的的进步，美好的前景吸引大量的人员进入相关领域，我不断接受相关的成果消化吸收希望可以取得一定的进步为社会贡献自己的能力。 1.2 拟解决的主要问题(1) 以89C51为基础，通过输入的数字量的改变来达到输出电压值的改变。(2) 通过A/D转换，依靠单片机间接实现电压电流的采样，经行数据的处理与显示。(3) 直流电源输出电压经过按键来设置，用显示屏显示采样电

15、压和设定电压。(4) A/D转换采用专门的芯片，将模拟电压变换成数字电压显示于数码管。(5) 详细画出PWM型开关稳压电源的电路图和各部分子电路。(6) 阐述其工作原理。(7) 对电源的软件设计部分给出正确的流程图和主程序及各子程序。第2章 开关稳压电源的结构及具体设计2.1 PWM开关稳压电源的概念开关电源与线性电源是相对来说的，也就是该电源中功率开关管调工作在饱和区以及截止区，当其在截止状态时，是普通开关的断开状态，当在饱和状态时，同样也就类似于一般开关的闭合的状态。这就起到相当于开通二极管的作用，也就是通过开关管使得电源的电压进入稳定得电压，开关管能作用是斩波， PWM控制器的作用下，能

16、够将输入直流电压变成高低压占空比可以调整的矩形波，然后经过输出的整流的滤波器并且输出直流。然后开关管使得电源电压达到稳定，我们还能够利用微型处理器，用单片机来控制电路，与此同时能够实现电压值的数字控制和现实。2.2 PWM开关稳压电源的特点1. 功耗小、效率高开关稳压电源的调整管在开关状态工作时，假如其导通，C、E两极两端的电压值降趋于0；假如它截止的话，集电极的电流就会变成0。此时，调整管的功耗会很小。然而普通的串联型的开关稳压电源的调节管是工作在放大状态的，经过的电流比较大，管压降也会比较大，此时调整管的功耗大。2. 稳压范围宽稳压电源的稳压的范围比较宽。所以仍能够输出平稳的直流电压，就算

17、使电网得电压在130V260V来回震荡。不过一般情况下串联型的稳压电源允许的电网的电压变化范围一般是190V240V。3. 整机的稳定性和可靠性提高鉴于稳压电源的功率损耗比较小，使得机内温度升高变小，整个机器的热稳定性以及可靠性会得到极大的提升，同时免于因温度问题损伤某些元器件。而且同时开光电源能够比较方便地进行过压、过流保护电路设计、一旦电路出现过流、过压问题，保护电路会动作使开关稳压电源部分停止工作，这样就阻止了故障范围的蔓延。4. 体积小、重量轻稳压电源是对普通交流电整流以及滤波，接着通过稳压调整管输出，不需要很重得电源侧电压器，因此它就有重量小、体积小的优点。5. 易于实现多路电压输出

18、和遥控稳压电源能够采用储能的变压器的不同匝数的二次绕组得到数值不同的输出电压，同时每个输出电压之间也不会产生干扰。与此同时，可控制调整管工作的状态，进而实现电源电路的远程遥控，满足遥控关机的目的。2.3开关稳压电源的电源结构开关稳压电源主要由输入整流滤波器、功率开关管及高频变压器、控制电路、输出整流滤波器、反馈电路组成。电源的基本构成如图2.1所示。图21开关稳压电源结构图220V交流电u首先经过整流滤波电路，变成直流电压U1，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后获得所需要的直流输出电压U0。单片机能够产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开

19、关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压的目的。该控制部分以89C51为控制基础，对输出的电流或者电压进行采样，在和规定值进行比较去调整直流直流变换电路，单片机通过键盘规定电源输出的MAX/MIN，同时对输出地电流以及电压采样、比较，比较之后通过改变脉冲宽度来实现稳定电压，通过直流直流变换电路改变电压，电流经过单片机的检测超过规定值保护部分就会发挥作用。2.4 设计要求这篇论文所设计制作的开关电源，要达到步进的精度，输出电压范围0至100V，电流可以达到2A。主控芯片我们采用单片机AT89C51，用以控制D/A的输出电压值，也可以选择其它可行的方案。对于这个数控开关稳压电源，要详细画

20、出它的电路图和各部分子电路，并解释其工作原理，另外，对于此电源的软件设计部分也要给出正确的流程图和相关的主程序及各子程序。2.5方案的选择2.5.1 备选设计方案依据设计的需要，如下图：图 2.2 调制管控制的稳压电源方案一：使用一般的设计方法来满足题目的需要，如果控制系统使用的计数器是十进制，而且电压能够通过译码来显现，输出的就是D/A之后电压得基准的调节，从而控制输出地电压。方案二：电源控制系统的基础是AT89C51，输出的电压能够依据数字量的调节来改变。AT89C51可以对输出地经过D/A转换的电压进行采样，然后和事先的设定值比较，达到监测实际输出电压的目的。接下来还有数据的处理问题然后

21、就是让处理后的数据显示出来，电流的控制以及预先的设定可以采用编程实现。直流电源是这个系统的中心，电源各个模块的功能实现容易，硬件部分简单明了。电源系统的核心模块式AT89C51，通过按键设置电源输出电流值，AT89C51可以显示电压规定值以及实际的电压值，它控制精度可高到1上下，D信号的有AT89C51输出，A信号则出自DA0832。运算放大器的放大以及隔离可以用来控制功率管。稳压电源的输出由于基极电压的变化而不同。AT89C51还不断地键控这个电压值，检测的电压经经过了过A/D转换进行分析，由于反馈电压的存在电压就会趋向稳定的稳定值。图2-3 单片机控制的稳压电源2.5.2方案论证1. 显示

22、部分方案一输出是译码显示的电压直接量化值，输入值是A/D产生的原始值结果，A/D转化的过程中可能存在量化误差同时驱动模块也存在误差，因此电源的的显示值和实际电压值是不同，这是非常有可能的。再来看看方案二，电源输出得电压值需要经过电压表来采集数据，对数据进行分析以及转化之后显示实际的电压值。假如全部的电源系统表现出不同于一般情况下的情况，好比说：产生实际输出值对比事先规定值有的数误差比较大，让我依次来进行正确的处理方式。与此同时方案二之继续使用键盘以及显示器得接口的控制器处理。这样的方法的采用步进使系统电源的的接口电路接线变得更加简单明了化简，与此同时查询的时间也相应得到了进一步缩短，这样就会使

23、得使CPU的使用率更加提升。2. 数控部分方案一里面数控的部分用点中型以及小型的元件来搞定，对于我使用相对大量一些的芯片问题，这样会增加比较多的影响而且是负面的。假如说说系统滴排除得外在的干扰的实力会比较变差，系统得内部的各部分得关联型太多而且比较复杂。就方案二之中中使用AT89C51完成了全部系统的数字控制模块的的工作，这样一来8031使得全部系统功能的模块扩展扩展的得更加容易实现。3.输出部分方案一中我们让稳压电源采用线性的，经过调节基准电压的方法来达到输出电压值不仅仅上升或是下降的目标，假如这样的话我们必须考虑到整流以及滤波之后的纹波对与输出的产生的影响，但是第二个方案中使用运放当做前级

24、的运放，因为运放的电源电压抑制比相对来说比较大，能够很大程度的降低输出的电压。但是在第一个方案中，我在系统的输出端并联一个相对来说比较大的电容的响应速度降低，同时我们能够抑制纹波，因此加速变化的输入值就不容易被跟踪到。第二个方案中的A/D输出电压波形就会和输出波形一样，此时不仅仅可以输出直流电压值，而且能够产生多种的波形输出，使得整个系统产生有驱动能力的信号源。综上所述，选择二方案，采用单片机来实现的PWM稳压电源。第3章 系统的硬件电路设计3.1系统的原理框图与电路图电源的系统组成是：主程序，两个中断服务程序，一个子程序，它控制着PWM稳压电源正确的进行工作。主程序的流程图如下所示图3-1

25、系统的原理框图运行单片机之前需要进行初始化，首先将单片机的各个端口复位，读出上次关机前存入的数据，对开关电路进行控制，并将开关结果显示出来。当完成初始化后，打开中断。有中断请求则响应中断，若无中断请求则进行数据采集读出给定值，接下来是数据处理，如果发生短路或者过流情况，报警保护子程序发挥作用，否则按照电压控制算法对脉冲宽度重新设计，激励开关电路。过热检测保护报警程序、键盘设定程序是两个中断服务子程序，保护报警程序是子程序。3.2系统组成原理根据图3-2可以知道，交流电经过整流滤波电路得到直流电压U1，设定的电压值通过单片机产生相应脉宽的驱动信号，进而调节功率开关管的通、断状态，再经过高频变压器

26、T降压，得到高频矩形波电压，最后经过整流滤波得到所需要的直流电压U0。输出的电压值经过数模转换送到单片机P0处并和预设值一起显示，当输出的电压值大于设定值时，单片机发出信号减小PWM信号脉宽，V3的用处为保护控制，当保护取样信号有一个时高电平时，P27转变成低电平，V3截止，系统不工作。V2完成输出的电平移动，保证当开关占空比为最小值的情况下，系统输出的电压值是0。最小负载是由R1、R2构成，保证空载情况下也能正常得运行。R3以及R4目的是实现电压的移动，让0100V的输出电压变成05V，通过A/D转换以后送往AT89C51的P0处。假如输出的电压值显示不准确的话，就可以调节R3和R4来调整。

27、P1处的输出数据经过A/D转换，电压调整后是38V的电压，经过光耦完成对开关脉冲占空比进行的改变。V3的用处为保护控制，当保护取样信号有一个时高电平时，P27转变成低电平，V3截止，系统不工作。偏执电路（VD3、C3），给光耦合器的光敏三极管提供偏压，目的是实现三极管的导通。系统开机复位后，P0、P1、P2口均为FFH，V3导通，UA为8V，光耦的电流最大，UD电压最高，开关脉冲的占空比最小，输出电压最低为0图3-2 系统原理图3.3 电源部分3.3.1稳压电路结构组成整流电路以及电源变压器滤波电路还有稳压电路和电源变压器构成了我设计的稳压电路，见图3-4：（1） 稳压电路：因为温度、输入电压

28、、负载的作用，电压输出大多数情况下不趋于稳定。鉴于此我以原来的电路为基础添加一个稳压电路，这样就使我们能够得到一个稳定的持续的电压。（2） 滤波整流电路：我们把交流电变换成脉动电，称之为整流。通常情况下，滤波整流电路中我们加载的有电容器件。 图3-3整流滤波电路图3-4全桥DC-DC电路在这里直接以上面的图做为例子,简单的的对全桥电路的运行原理进行分析。使用PWM的运行过程方式时,线路中的直流电压Vin逐个的加在两个桥壁上:Q1、Q3和Q2、Q4。一旦当处于对角线上方向上的两个开关管同一时刻导通情况下,功率才可以穿过变压器,传到负载一侧。如果开关管都关闭得话,其续流用的二极管向负载电流继续连续

29、的供应通路状态,与此同时,它的滤波用电容会继续向负载供给能量,按照控制这四只开关管得通断的时间和通断的顺序,此时变压器原边将会获得按照占空比例D变化得正半周以及负半周是相互对称得交流的方波形式电压。假如变压器的变比是n,则变压器次边将产生幅值为Vin/n得交流的方波电压,通过二极管DR1、DR2构成的电感Lf和整流电路以及电容Cf构成的低通得滤波得电路最后就可以获得到所需要的平滑的直流输出的电压值。鉴于全桥式的变换器在本质上是属于Buck变换器,假如不去考虑效率值等影响因素,那么输出的电压值以及占空比D就成正比例关系。经过调整占空比D的值就会简单的调整输出的电压值。此外上面的结构图中,如果采用

30、变压器的隔离还会存在以下的好处:（1）鉴于存在具有隔离的功能的双绕组线,其绕组就会按照匝数之比的不同来调整变比,所以,其电路的电压值增益的变化不仅仅靠的是占空比,应该还可以依靠绕组的匝数比,这样就是设计变得不那么繁琐与艰难,同时系统的稳定性和可靠性得到极大地提高。（2)可以改变基础的变换器的拓扑结构中实际存在的局限性问题,比如,输出与输入之间不隔离,输出与输入得电压或者电流比不可以太大和没有办法实现多路输出等问题。我的论文中所设计的系统的机构跟上面的图大致相同,其不同的地方就是:后级采用单相的全桥的整流结构去提高系统的容量。直流变换器的控制方式大致包含三种：(1) PWM式，通过改变脉宽进而改

31、变占空比来获得稳定的电压。(2) PDM式，按照改变脉冲数的方法得到稳定电压。(3) PFM式，就是根据开关频率改变来变化占空比实现电压稳定。(4) PWM&PFM， 就是开关的频率脉宽都可以改变。考虑到实际情况，我的论文采用的是第一种方式。图3-5 稳压电路图3.3.2 电源设计此部分一般我们采用+5V以及15V电压供电：AT89C51部分供电我才用+5V的电压。滤波用电容的参数在选取时，整流管的压降问题使我们要考虑到的；对于10%是最小情况下的允许的压降的波动，所以计算得到的参数允许的最大纹波的峰峰值： （41） （42）因此我使用C=4700Uf/16V的电源。然后我来进一步介绍

32、15V电源：允许的纹波峰值为 （43）根据近似电流放电计算，可得： （44）根据计算结果选取的参数为C=2200uF/30V3.4数字控制部分此模块我选用咱们教材上讲的非常多的AT89C51。其价格低廉，性能优良这是它的显著优点，与此同时相对来说它的应用比较广泛。3.5信号处理电路按照计算结果，同时依据题目的要求：开关稳压电源的输出电压为0V100V，精度为1V，因此会有100个对应的状态。因此256个状态位的D/A装换芯片能够满足需要，所以采用8位的DAC0832来完成设计。DAC0832相应的引脚功能如下：表3-1 DAC0832的引脚功能引脚序号引脚名称引脚功能1CS片选信号2WR1写信

33、号13AGND模拟地4-7D3-D0数字量数据输入线8VREF基准电压输入线9RFB反馈信号输入线10DGND数字地11-12IOUT1-IOUT2电流输出线13-16D7-D4数字量数据输入线17XFER数据转移控制信号线18WR2写信号219ILE数据锁存允许信号 3.6键盘与显示部分3.6.1显示部分数据显示按照串行方式从AT89C51的P12口输出至移位寄存器74LS164的A、B端口，然后使并行的数据从输出端Q0Q7输出，可以用来控制开关管WT1WT3集电极，然后让输出的LED段选码送到数码管LED1以及LED2。位选码由AT89C51的P14P16口处输出并且通过译码器到开关管基极

34、，完成对数码管进行位选控制，之后数码管就以100ms轮流来显示。鉴于人眼睛的残留效应，数码管看上去几乎是差不多是一齐显示出来的。3.6.2 键盘部分键盘是把无数个按键构成的的开关矩阵。鉴于此它价格方面比较优惠。通常情形下，单个键盘包括部分字母键、功能键，数据键。依赖键盘对计算机进行基本指令数据以及数据地址的输入，人机对话也是我们完全可以比较容易完成的。按照分类我们一般把其分为2类：一种是非编码键盘，另外一种是编码键盘。 3.7 输出电路3.7.1 稳压输出部分由于此电路的稳定电压输出模块是由数字控制这块的电压的控制规则转变的，稳压输出、A/D转换、延时启动、以及过流保护显示是它的重要组成部分，

35、0100V作为电压的输出范围，步进精度为1V，共有100个状态位，所以我选用DAC0832的A/D转换器这和前面的介绍相呼应。这次论文里的模块采用1个控制字当做1V，比如0.0，1.0，2.0100V作为电源部分的输出电压，则电压控制字就由0,1,2100。假如输出的电压达到100V情况下，A/D的基准电压值就是+100V。D/A这块输出电压最大为：V （4-5）由A/D这里的输出电压值可以代替稳压输出电路的参考电压值，这两个电压值之间的关系是线性的，变化范围是0100V，当然我们既能够认为稳压输出部分采用的是串联反馈型的稳压电路，也可以认识到输入的直流功率放大器是参照的预设电压。运算放大器与

36、三极管主要组成这块电路，运放的同名端由D/A转换这一块的输入电压值而得到，通过R5、RW3以及R6的构成的分压电路分压以后流入运算放大器的反相一端，经过运算放大器的比较放大之后，复合调整管被其驱动。一旦A/D转换输出的电压以及取样电压值相同的情况下，这时候，电路就达到了平衡的状态，经过计算得到R6为340，R5是500。假设电压输出为VOUT，电位器处于中间的状态，我们可以算出其大小： (4-6) (4-7)因为V1=V2，得到Vout=100v3.7.2 输出电压显示电路采用数字电压表对输出电压进行采样以及测量，然后还要显示出来，这样可以完成输出电压值的随时监督控制，我们可以经过显示器显示2

37、个电压值：第一个是AT89C51预先设定的电压值然后另一个就是输出电压的实际测量值。当系统正常工作时它们相差比较小。如果出现异常状况，我们能够通过显示电路发现期望值不对，接着采用相应的方法处理。3.8变压器的设计3.8.1概述变压器式PWM稳压电源得基本部件，它的作用是电压变换、电气隔离、以及传输能量。DC-DC变换器可以分为两个主要的类型:非隔离变换器以及隔离变换器,其中隔离与否就是指主电路的功率传输的过程中是不是存在着电气隔离,绝大部分情况下就是指是不是存在着变压器的隔离。非隔离的变换器之中,还是包含着不少缺点,比方说,输出与输入没有办法隔离系统的安全性就会存在一些隐患,输出输入得电流以及

38、电压比没有办法很大和没有办法实现多路的输出等一系列难题。很明显这一系列问题可以用变压器来解决，他可以在主电路中实现：隔离、降压、多路输出的任务。比较实用的隔离用变压器主要包含以下几中特征:(1)从不理想得直流到理想得直流都能实现变换; (2)它在变换的情况下可以不考虑能量的损耗; (3)输出和输入可以完全的隔离; (4)它的变换过程中中,不管是从副边到原边或者原边到副边,结果都是一样的有效方便。所以变压器用在隔离直流一直流变换器之中起到十分关键的作用,变压器的性能的高低会直接影响到全部系统性能的高低。3.8.2变压器的设计方法稳压电源中有两种常用的设计方法来设计变压器, 第一种是求出它的一些参

39、数,然后查表找出它的磁芯的编号,并进行设计。另外一种是求出磁芯的窗口的面积AW以及磁芯的有效的截面积得乘积AP。依据AP值的大小,找到所需要的磁性材料得编号。前面一种办法叫Kg法,后面的方法就叫做为法。我采用的就是AP法,因此仅仅对AP法进行简单的介绍。设变压器副边Ns匝，原边匝, ,当原边按照电压V进行工作情况下,按照定律： （48）式子中 为磁通的密度 为开关正常情况下频率 波形系数，方波取4 磁芯的有效面积铁芯的窗口的面积和使用的系数的乘积，就是,它的面积就是原边的绕组与副边的绕组Ns所占据滴窗口面积之和。即： （49）其中 为窗口使用系数 每匝原边绕组占用面积 铁芯的窗口的面积 每匝副

40、边绕组的面积每匝的占用面积以及流过的电流值I以及电流的密度J有下列的式子： 经过整理可得： （410）就是铁芯的截面积与变压器的窗口面积滴积。为副边以及原边的功率。以上的式子显示出工作的磁密度、波形的系数、窗口的使用系数值、工作的开关频率值、以及电流的密度值J都会对面积的乘积产生影响。其中电流的密度值J会对温升产生直接的影响,也会影响到,可表示为:J=上面式中 X为数值，根据实际情况定。进一步可得： （411）因此以上的表达式表明铁芯的选取就是AP值的合理选择,当输出功率为PT情况下,铁和铜损的温升就是在规定的范围之内。3.8.3变压器的设计步骤鉴于本论文中所涉及的桥式的变压器,它的2个周期之

41、内,它的变压器的原边的绕组一直处于工作状态,绕组以及磁芯的利用效率率相对较高,想要降低磁化的电流值,使得原边的匝数比较多,因此选择一些合金材料来当做磁芯的材料,而且要求磁芯不带气隙值。（1）确定铁芯型号按照电源得效率以及容量来稳定电源的输入功率值。或者设计出电源的输出的电压值为220V,满负载时输出的电流值就是2A,所以输出功率就是:220V 2A=440W输入的功率为，假设系统的效率为91%： （412）此外电源模块的工作时的频率为20KHZ,因此可以选择EE55/55/21的磁芯来使用。（2）确定铁芯最佳的磁感应强度值当对变压器进行设计的时候,要求确定铁芯铁损和铜损在一个允许得范围之中,根

42、据多数情况下的工作的经验,仿制造的工频变压器都使铁损等于铜损,因此设计得变压器有很高的效率。然而铁芯有一个最佳状态的的磁感应的强度的幅值,这也是变压器的工作的频率、铁芯损耗、工作的电压以及副边、原边得匝数比等一系列参数。 （3）变压器的匝数计算原边的匝数主要由下面的式子确定:式子中 如果是副边的匝数值,依据上面的式子可以确定每伏所需要的匝数,之后输出的回路的压降的大小再加上输出得额定电压值V。也就是副边的电压,变压器得原边以及副边的匝数能够根据原副边变比来确定最后求出匝数比0.8:1,满足匝数比等于副边以及原边电流的反比,也就是0.8:1等于16:20。（4）变压器的电气参数制造变压器就是一个

43、十分看重制作的工艺的过程,因此就会牵涉到大量工程方面的技术经验,所以此设计的变压器就是让我们自己提供大概的参数的范围,之后再参考一下其它的相关得容量的电源模块的变压器,最后送给专门的变压器制造厂商进行设计制作,之后匝数比确定在1:0.85。通过测试,制造的的变压器在各个方面全部达到要求。第4章 系统的软件设计4.1开关电源的软件组成电源的系统软件组成是：主程序，两个中断服务程序，一个子程序，它控制着PWM稳压电源正确的进行工作。主程序的流程图如下所示。 图 41 主程序流程图运行单片机之前需要进行初始化，首先将单片机的各个端口复位，读出上次关机前存入的数据，对开关电路进行控制，并将开关结果显示

44、出来。当完成初始化后，打开中断。有中断请求则响应中断，若无中断请求则进行数据采集读出给定值，接下来是数据处理，如果发生短路或者过流情况，报警保护子程序发挥作用，否则按照电压控制算法对脉冲宽度重新设计，激励开关电路。过热检测保护报警程序、键盘设定程序是两个中断服务子程序，保护报警程序是子程序。4.2 系统的控制算法4.2.1 数字滤波器的设计随机干扰导致被测信号中无用成分的混入，滤波器可以把无用成分去除，信号质量也会因此得以提高。在低频和甚低频时实现模拟滤波器是比较困难的，数字滤波器可以解决这些问题，高精度、高可靠性、高稳定性是他的三大特点，所以进行复合平均值进行滤波作用。4.2.2 数字控制器

45、的设计设计采用积分分离的PID与时间最优控制的双模控制算法。 PID控制保证跟踪准确度、稳态误差符合规定。时间最优控制的作用可加快调节。时间最优控制模式为：当-= ；，为积分分离的PID模式；E1，为时间最优控制模式。时间最优的控制模式： 0；=， 0；=0。式中：，是第k次采样时所得的设定值、计算机输出值、偏差值、检测值，；U max微机输出的最大值，就是时间的最优控制的偏差门限；采用可以增强抗积分饱和功能，防止超调和振荡的积分分离式 PID 控制。 大致的控制的过程是：当开关电路输出电压偏差较大时，只进行 PD 调节，取消积分作用。加入积分作用，只有当偏差在某范围内时，此时进行PID 调节

46、。有以上的分析可导出控制方程为： 拭中：=-；=-是积分作用门限值，根据控制精度在调试时最后确定其值。，分别为控制器的积分、微分、比例系数；4.3中断程序中断的任务是完成过流保护，它能够在这里实现每个报警以及保护的要求。这时候假如将其中的任一个标志位置为1，那样的话就是键盘存在输入，这样键盘码能够被给予变化的数字量同时被计算机读入。我们能够实现各项操作的根据是在各个应用程序以及主程序中得到的变量的大小还有标志位的大小，最终我们还要进行标志位的清0工作。 图4-2 中断服务程序流程图4.4键盘显示程序也就是说查询每一个按键实行。也不会存在着键按置1的情况时，并且任然会显示出提示符；当然其被置0时

47、，这就是它就会自动进行键功能进行软件控制。通常情况下，一旦当给系统通电以后，正常显示，然后随时做好按键操作控制的准备。 4.5稳压控制设AT89C51中的R0用来存放基准电压数据,程序流程如图4-3。设R0中数据为00110010B（5V），则P1=11001101B（R0取反），如U0升高(5V),则稳压过程如下: U0P0(A)-(R0)0P1UAUD占空比U0本系统共设2个电压调节键:+1V、-1V、；2个电压预置键：5V、12V。按键采用INT1中断工作方式，其程序流程图如图4-4。 图4-3 程序流程图 图4-4 INT1中断工作方式流程图4.6系统误差分析系统的主要误差如下：（1）

48、 数模转换器的量化误差：数模转换器为8位，满量程量化误差是： (5-1)相对误差为： (5-2)（2） 基准电压温漂带来误差：0至40度区间内漂移小于4Mv，所以相对误差第5章 扩展电路5.1抑制纹波由于这次对纹波的要求很高，相对于整个系统来说，负载波动、数字调节引起的过冲噪声、以及过频干扰是导致纹波的主因。第二个原因是数控系统无法避免的，因此我首先着手提升负载容量以及降低工频干扰。电源变压器会导致工频干扰，因此抑制工频干扰有效地方法是数字滤波，鉴于此整个电源系统都进行滤波。5.2 过流保护稳压电源设计中一般会包括保护电路的设计。当负载电流超过设定值时，或者是发生短路时，为了保护电源过流保护在

49、系统中占有重要地位，在设计的电源系统中使用三层过电流保护 ，一种是在系统中加入熔断式保险管，系统中出现短路以及其他故障时立即切断外部电源，依次保护电源系统不受破坏，一种是在触发器的软启动级放置熔断性的保险管，放置启动的浪涌电流过大导致破坏电源的功率器件，一种是通过对电流的测试以及检测来调节PWM的脉冲宽度值满足电流保护的要求。保护电路的形式有以下三种。（1）切断式保护切断式过流保护原理图如下所示。图 51 切断式过流保护原理图电流检测电路监测电流信号，经过A/D转换成相应的控制信号，再通过比较放大电路比较，一旦通过电流超过设定值，信号电压值大于比较电压值电路会输出故障信号。从而使得控制电路失效

50、，电源的输出也会立马切断。（2）限流式保护限流保护的原理图如下所示：图 52 限流保护原理图限流式保护与切断式保护的区别在于电压比较电路的输出值不是让全部电路失去控制作用，而是代替误差放大器控制V/W电路的输出脉冲值。只有负载电流达到系统设定值时，保护电路才开始工作，结果是V/W控制电路脉宽输出变窄，这样的稳压电源的输出电压也会下降一些，就可以维持电压在一定范围之内。(3) 限流切断式电流保护限流切断式保护分两个层次实施，当负载电流达到某个设定值时，电源的保护电路就会动作，输出地电压值也会下降，负载电流也会受到限制，假如负载电流达到第二个设定值时保护电路会继续动作，将电源切断。5.3过电压欠电

51、压保护保护相关的负载，稳压电源要设计出输出过电压和欠电压相关电路他，他们的原理图如下所示。 图 53 过欠电压保护原理图结论 本文是在孙南海老师的指导下完成的，论文的任务就是设计一种实用的稳压电源，经过凑集资料以及对电源基本原理的理解，以及对电源结构的仔细分析，设计一种体积更小、重量更轻、效率更高、更加可靠地稳压电源，经过反复的讨论与验证本文完成了系统的大致设计，以及各模块的设计、绘图工作，主电路可以带负载工作，控制电路的设计也搞定啦，为电源的研究提供了可行的方案，在本人的论文中第一章详细介绍了稳压电源技术的发展与研究现状，接着论述了电源的工作原理与以及工作方式，然后是根据集成电路规划了系统电

52、路，对电路的一般原理进行详细的分析最后设计了相关的保护电路以及辅助电源，由于时间比较紧张，再加上任务比较繁琐本人未能完成电源的后续工作以及相关电路的设计，针对子模块的功能的设计与仿真也不太完善。我的论文中必定存在不满意的地方这也需要继续改进，恳请老师给予相关的指导。您的指导就是我前进和努力地方向。本人的论文设计了PWM稳压电源的控制电路，详细对每一个电源电路的结构进行设计。每一个PWM控制电路除去核心部分的AT89C51单片机，还应该包括驱动电路、振荡器电路、保护电路等。我觉得以后大家要投入大量的时间以及精力来研制和开发更完整的PWM开关电源。为自己国家的电源事业做出贡献。谢 辞 当我进行毕业

53、设计的时候,指导老师孙南海教授在构思、规划等方面给予本人耐心的辅导,同时在职业规划、生活等另外的方面给予了亲切的指导。孙南海教授渊博的知识、一丝不苟的治学要求,锐意进取的探索精神,让我非常敬仰;同时将科研工作和工业实践过程紧密结合起来的工作方式使我收获很多,我的每一点进步都包含着他的辛苦努力,在这里向孙南海教授致以由衷的谢意!在洛阳理工学院实验室完成相关实验过程中,实验室韩老师、李老师给予本人很大的帮助,向我开放了方便的实验环境,精良的实验设备;同组的彭同学、刘同学、何同学和我共同进步,在实验上提供最好的关心以及鼓励,在这里也要向他们表示最真诚的感谢。同时谢谢电工电子实验室里每一个同学、老师对

54、我的关怀和鼓舞,可以在如此一个积极向上得和谐团队中进步,我非常幸运。当我遇到难题时,大家都会认真的帮忙。在此向他们表示深深地感谢;尤其是吕志宇室友,在实验室与我一同进步、向我毫无保留的传授技术和经验,这构成我论文能够完成的重要支撑,这里向他表示最真诚的感谢。感恩我的爸妈,爸妈无私的支持着我的学习,正因为有了他们,才有了今天我的成绩。父母永远是最可爱的人。参考文献1阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术M.北京:科学出版社,20002刘胜利.现代高频开关电源实用技术M.北京:电子工业出版社,20013胡斌.电子线路快速识图M,中国电力出版社，20054曲学基, 王增福, 曲敬铠 .稳定电源电路设计手册M，中国电力出版社，20035周志敏, 周纪海.开关电源实用技术设计与应用M，电子工业出版社，20036张占松，蔡宣三 .开关电源的原理与设计（修