毕业设计（论文）-基于单片机控制的开关电源

1、广西工学院毕业设计论文毕业设计论文课题名称课题名称 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

2、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，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 SummarySummary Switching power supply is to use the power of modern electronic technol

3、ogy to control power switch (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 ef

4、ficiency, small size, light 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 c

5、onvenient, so in this design 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

6、, the corresponding software 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. KeyKey word:word: switchswitch powerpower semi

7、conductorsemiconductor PIDPID algorithmalgorithm closed-loopclosed-loop controlcontrol CNCCNC 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 .1

8、83.2 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（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

9、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

10、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，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

11、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

12、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

13、、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，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

14、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。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

15、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

16、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

17、%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/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

18、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(85V265VAC)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

19、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

20、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。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

21、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，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

22、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

23、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

24、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

25、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 1000W 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

26、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

27、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 modulation） 。 （3）混合调制型：通过调节导通时间的

28、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 开关电源工作原理开关电源是指调整管工作在开关方式，即导通

29、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较放大脉冲调宽输出输入基准电压按

30、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（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。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

31、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。（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

32、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

33、种可行的方案。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。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

34、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。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，是真正的单片机控制。综

35、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。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，根据差值调用 PID 算法再次修改脉宽使输出电压稳

36、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较，假设当前键盘输入为 10v，

37、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变

38、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，单片机可以通过定时器中断产生

39、 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

40、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。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

41、 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，min4 . 1)max(minIoutTonVoutVinLTon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uHL8 .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感的截AeAwAp Ae面积，为电感窗口截面积，其中 I 为电感电流有效值，AwNBmLAeImKcjNIAw 为j导线的电流密度，为绕组填充因数， （08;TL0=tim0;PWM=PWM 设计原理：采用单片机作为控制器的闭环系统，它是由 89C51

42、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。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 为上两次采kdkikp,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

43、 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 单片机闭环控制系统框图5 系统调试5.1 硬件模块调试 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 14.9v，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。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

44、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。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，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。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

45、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） ，SE

46、V（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。（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120

47、V，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+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

48、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，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

49、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。测试时，先将负载电阻 RL 断开，用万用表测量

50、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，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 R

51、L 的阻值（可以取阻值为几十到几百欧姆、额定工作电源大于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，在 311.96v。其中，Vi 为电网输入电压，Vs 是电路输入电压。整流滤波整流滤波ViVs电流表负

52、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。测试电路仍采用图 5.1，测试步骤：调节交流调

53、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 5A，调节后显示值为 5.2A，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 5A 时，电源输出电压正常。电压调整率是指在直流电源负载不变，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：，VoVoSd/式中为电网电压为 220v 时所对应的输出直流电压值，为电网电压从 220v 分别VoVo变化到电网电压+10%（242v）和-10%（198v）时，输出电压的变化量。电