单片机控制的开关电源设计毕业设计

1、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

2、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Abstrat Switching power supply is to use the power of modern electronic technology to control power switch (MOSFET; transistor) on-and off time than to stabilize the output voltage of a new power s

3、upply.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 weight, high control accuracy and fast and good. The design of the main aim is to realize

4、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 design USES a microcontroller. In this design documents, this paper expounds the switch power co

5、mpared 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 software control microcontroller output pulse width, switch power for pulse width modulation, the

6、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 CNC 目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc326324546 绪论 PAGEREF _Toc326324546 h 1 HYPERLINK l _Toc3

7、26324547 1 概述 PAGEREF _Toc326324547 h 2 HYPERLINK l _Toc326324548 1.1 课题研究环境背景 PAGEREF _Toc326324548 h 2 HYPERLINK l _Toc326324549 1.1.1 绿色节能型开关电源 PAGEREF _Toc326324549 h 2 HYPERLINK l _Toc326324550 1.1.2 智能化数字电源 PAGEREF _Toc326324550 h 2 HYPERLINK l _Toc326324551 1.1.3 可编程开关电源 PAGEREF _Toc326324551

8、 h 3 HYPERLINK l _Toc326324552 1.2 开关电源技术的发展和环境现状 PAGEREF _Toc326324552 h 3 HYPERLINK l _Toc326324553 1.2.1 线性电源和开关电源 PAGEREF _Toc326324553 h 3 HYPERLINK l _Toc326324554 1.2.2 电源技术的发展方向 PAGEREF _Toc326324554 h 4 HYPERLINK l _Toc326324555 1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状4 HYPERLINK l _Toc326324556 1.3 本文研究的主要内容5

9、 HYPERLINK l _Toc326324557 2 系统方案设计6 HYPERLINK l _Toc326324558 2.1 开关电源工作原理6 HYPERLINK l _Toc326324559 2.2 开关电源与线性电源的比较6 HYPERLINK l _Toc326324560 线性电源的缺点6 HYPERLINK l _Toc326324561 开关电源的优点7 HYPERLINK l _Toc326324562 2.3 系统方案论证7 HYPERLINK l _Toc326324563 方案18 HYPERLINK l _Toc326324564 方案28 HYPERLINK

10、 l _Toc326324565 2.3.3 方案38 HYPERLINK l _Toc326324566 方案分析8 HYPERLINK l _Toc326324567 总体结构设计9 HYPERLINK l _Toc326324568 系统难点分析10 HYPERLINK l _Toc326324569 如何提高电源工作频率10 HYPERLINK l _Toc326324570 储能电感的绕制11 HYPERLINK l _Toc326324571 标度转换技术11 HYPERLINK l _Toc326324575 2.5 开关变换器结构分析与选择12 HYPERLINK l _Toc

11、326324576 2.5.1降压变换电路分析12 HYPERLINK l _Toc326324577 2.5.2升压型变换电路 PAGEREF _Toc326324577 h 14 HYPERLINK l _Toc326324578 2.5.3Buck-Boost型变换器 PAGEREF _Toc326324578 h 15 HYPERLINK l _Toc326324579 2.6 开关电路器件参数选择 PAGEREF _Toc326324579 h 15 HYPERLINK l _Toc326324580 2.6.1功率开关管的选择 PAGEREF _Toc326324580 h 15

12、HYPERLINK l _Toc326324581 2.6.2 滤波电容的选择 PAGEREF _Toc326324581 h 16 HYPERLINK l _Toc326324582 2.6.3储能电感的选择 PAGEREF _Toc326324582 h 16 HYPERLINK l _Toc326324583 2.6.4续流二极管的选择 PAGEREF _Toc326324583 h 17 HYPERLINK l _Toc326324584 3 硬件电路设计18 HYPERLINK l _Toc326324585 3.1 电源主电路设计18 HYPERLINK l _Toc3263245

13、86 整流滤波电路18 HYPERLINK l _Toc326324587 开关变换电路18 HYPERLINK l _Toc326324588 保护电路19 HYPERLINK l _Toc326324589 3.2 控制电路设计20 HYPERLINK l _Toc326324590 反馈电路设计21 HYPERLINK l _Toc326324591 3显示电路设计 PAGEREF _Toc326324591 h 21 HYPERLINK l _Toc326324592 单片机与键盘接口电路设计 PAGEREF _Toc326324592 h 22 HYPERLINK l _Toc326

14、324593 4 软件设计 PAGEREF _Toc326324593 h 24 HYPERLINK l _Toc326324594 4.1 总体编程思想 PAGEREF _Toc326324594 h 24 HYPERLINK l _Toc326324595 4.2键盘防抖动子程序 PAGEREF _Toc326324595 h 24 HYPERLINK l _Toc326324596 4.3显示子程序 PAGEREF _Toc326324596 h 25 HYPERLINK l _Toc326324597 4.4采样子程序 PAGEREF _Toc326324597 h 26 HYPERL

15、INK l _Toc326324598 4.5 中断处理程序设计27 HYPERLINK l _Toc326324599 4.6 PID控制算法28 HYPERLINK l _Toc326324600 5 系统调试30 HYPERLINK l _Toc326324601 5.1 硬件模块调试30 HYPERLINK l _Toc326324602 整流滤波电路的调试 PAGEREF _Toc326324602 h 30 HYPERLINK l _Toc326324603 5.1.2 AD转换的调试 PAGEREF _Toc326324603 h 30 HYPERLINK l _Toc32632

16、4604 脉冲输出电路的调试 PAGEREF _Toc326324604 h 30 HYPERLINK l _Toc326324605 功率开关管的调试 PAGEREF _Toc326324605 h 30 HYPERLINK l _Toc326324606 5.2 电源性能指标的测试31 HYPERLINK l _Toc326324607 开关电源的技术指标 PAGEREF _Toc326324607 h 31 HYPERLINK l _Toc326324608 输出电压的测试 PAGEREF _Toc326324608 h 32 HYPERLINK l _Toc326324609 5.最大

17、输出电流的测试 PAGEREF _Toc326324609 h 33 HYPERLINK l _Toc326324610 过流保护的测试 PAGEREF _Toc326324610 h 33 HYPERLINK l _Toc326324611 电压调整率的测试 PAGEREF _Toc326324611 h 34 HYPERLINK l _Toc326324612 纹波电压的测试 PAGEREF _Toc326324612 h 34 HYPERLINK l _Toc326324613 6 结论 PAGEREF _Toc326324613 h 35 HYPERLINK l _Toc3263246

18、14 致谢 PAGEREF _Toc326324614 h 36 HYPERLINK l _Toc326324615 参考文献 PAGEREF _Toc326324615 h 37附录（子程序和电路图） .38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。本次设计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

19、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，由于目前国内有专门的PWM输出的单片机

20、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速度成正比的，要进一步提高开关电源的效率

21、，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，但目前阶段的精密电子仪器中，仍难以使用开关

22、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 课题环境背景随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，

23、使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源第一次出现在1955年，Royer电路。实用化在1966年前后，电路种类很多，直到10年前，开关电源才被分为几个基本拓扑：1、BUCK降压型： 象单管正激、双管正激、全桥、LLC电路都是BUCK的变形；2、BOOST 升压型： 象PFC用得最多，3、BUCK-BOOST型： 即可降压，也可以升压，反激电路就是BUCK-BOOST的一种理想版本；4、CUK电路： 这是

24、美国CUK先生在30年前的发明，实现零纹波输出的电源，但一直未能成为主流。绿色节能型开关电源早期的开关电源因为技术不够成熟，待机功耗大且效率低。例如，早期的36W电源适配器的待机功耗为2W左右，而效率仅为78%。如何降低开关电源的的功耗和提高开关电源的效率是全球能源行业共同关注的问题。随着科技的发展以及单片机的出现，使得设计出一个绿色节能的开关电源已经算不上是难事。尤其在06年之后美国推出了“能源之星”计划后，对开关电源的设计以及制造业产生了推波助澜的作用。 智能化数字电源进入21世纪后，关电源正朝着智能化、数字化的方向发展。最近刚问世的智能数字电源系统以其优良的特性和完备的监控功能，正引起人

25、们的关注。它是以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。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。 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

26、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%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

27、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 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

28、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。上世纪80年代，提出了电源制造中电力电子集成概念，明确了集成化是电力电子技术未来发展的方向

29、，是解决电力电子技术发展面临障碍的最有希望的出路。电源集成电路逐步成为功率半导体器件中的主导器件，把电源技术推向了电源管理的新时代。电源管理集成电路分成电压调整器和接口电路两方面。正是因为这么多的集成电路(IC)进入电源领域，人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。 电源技术的发展方向从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。高频化使开关电源小型化，并使开关电源更进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约

30、能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开

31、关电源的工作效率。对联高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大，而用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化 开关电源的市场前景和研究现状线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅

32、值,再经过整流电路整流后,得到脉动直流电后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电。要达到高精度的直流电压,必须经过稳压电路进行稳压。应用于科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等领域。开关电源(Switching power supply)是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通信设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通信设备,视听产品,安防,电脑机箱

33、,数码产品和仪器类等领域。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关电源的发展,产品不断向着轻、小、薄、低噪声、高可靠的方向发展。开关电源是电子电源的主要大类产品，由于其小型化、重量轻、功率密度/转换效率高、输入电压范围广、热消耗较少等众多种优点，并得益于电子产品轻薄短小的需求趋势，其发展迅速，迅速取代线性电源普及于各种电子产品领域。根据中国电源学会收集整理的数据，2008年全国开关电源(主要包含消费类开关电源、工业类开关电源、通信电源、PC电源)产值达到855亿元，2009年达931亿元，增长8.8%;201

34、0年达到1027亿元，增长10.3%。按开关电源应用领域细分，占据全行业产出份额第一的是工业类开关电源，2010年达到全行业产值的比重为56%，居第二位的是消费类开关电源，占32%，通信开关电源占6%，个人电脑开关电源占3%。1.3 本文研究主要内容（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）开关电源的设计方法；（4）单片机软件编程方法；（5）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，即导通和截止状态的稳压电源，缩写为SPS（Switching Power Supply）。开

35、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。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。2.2 开关电源与线性电源的比较线性

36、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。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。开关电源的优点（1）功耗小，效率高。图

37、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

38、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 系统方案论证开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设计思路。开关电源的一般结构框图如图2.1所示，本设计通过对不同的方案的对比得出了最佳方案的设计。图2.1 开关电源的一般框图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。方案1主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图2.2所示），只能获得低于输入电压的输出电压，且输出电压与输入

39、电压不隔离，容易引起触电事故。图2.2 非隔离式DC-DC结构方案2主回路采用隔离推挽式拓扑结构（如图2.3所示），输入与输出电气不相连，通过开关变压器的磁偶合方式传递能量，适合实验室使用。本设计采用方案二。图2.3 隔离式DC-DC结构 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。方案分析方案1分析：采用脉冲频率调制FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特点是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输出电压的调节范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工

40、作。方案2分析：采用脉冲宽度调制PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比控制型效率高并具有良好的输出电压和噪声。基于上述考滤及题目的具体要求，本设计选用PWM调制方式。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ADC0809，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

41、同的电压。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ADC0809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

42、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，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

43、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单片机控制电路辅助电源LCD显示ADC0809取样电路键盘预置图2.2 单片机控制开关电源系统框图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

44、，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

45、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

46、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。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

47、感电流有效值，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89C52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。其中：为PID参数，y0为第三次采样值，y1为之第二次采样值，y2为第一次采样值。，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之间的数值，设定的值要转换为相对的数值，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

48、字量，转换公式为12*255/12=255，即255对应12V，通过转换之后就可以相互比较。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 整流滤波电路的调试把这一模块放在面包板上进行模拟：把电路连接后，接通电源，首先测量变压器的输出，在交流档位测得的电压为12.96v，接着测量整流输出的电压，这里需要提醒的是整流桥的连接必须正确，不然整流输出电压会不正确乃至烧坏稳压块。经检测无误后，再次测得，和理论值相近，同时测的稳压块输出电压为5.10v，模块工作正常，能像单片机提供稳定电源。5.1.2 AD转换的调试用稳压电源向转换器提供一个5v

49、电压，改变电压，观测到随着电压的改变，数码管的显示值也随之改变。再用万能表测量电压，发现测量值接近显示值，可见模数模块是正常工作的。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，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。功率开关管的调试将做好的电路板放置好，防

50、止和其他导体触碰造成短路。然后，向功率开关管基极输入控制信号，通过示波器波器观察，使用键盘输入不同的预置电压，再用示波器另一通道观测开关管集电极输出信号后可观测到当输入几组数值不同的电压时，输入以及输出的波形图波形均发生改变预置电压从12v变小时，控制脉冲的占空比跟着变小，而预置电压由小变大时，脉冲信号的占空比又跟着增大。所以键盘可以操控系统更新脉宽，且在同时也能操控开关管工作，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的通用事项、包括电源名称和适用规格。关于开关电源的安全规范标准，根据电源用途不同，指标优先考虑的重点也不同，但首先应考虑电源的安全性。目前，许多国家都有相应的

51、开关电源安全规范，常用的国际安全规范为IEC950、 IEC65。有关EMI的规格，国际上的规格为为CISPRPub11、Pub12。常见的开关电源电气技术指标有： （1）输入电源的相数、频率：根据输出功率不同，可采用单相或三相电源供电。在输出功率高于5kW时通常采用三相电源供电，以使三相负载均衡。我国市电电源频率为50Hz。 （2）额定输入电压、容许电压波动范围：我国市电电源额定相电压为220V，线电压为380V，在容许的输入电压波动范围内都要保证额定输出功率。 （3）额定输入电流：指在额定输入电压和额定输出功率时的输入电流。（4）最大输入电流：指在容许的下限输入电压和额定输出功率时的输入电

52、流。 （5）输人功率因数：指输入有功功率与视在功率的比值。 （6）额定输出直流电压：也叫标称输出直流电压，指在额定输出电流、满足规定的稳压精度及纹波等指标时的最大输出直流电压。 （7）稳压精度：有多种原因会导致输出电压的波动，如输入电压波动、负载改变等，稳压精度指在容许的工作条件（输入电压波动、负载变化、环境温度改变等）范围内，实际输出直流电压与额定工作条件时理想输出直流电压的比值。它反映了电源的控制精度。5.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包含输入电源相数、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，以及单相3线制及3相4线制等。输入电

53、压的变化范围一般为10%，考虑配线路径及各种实际问题，输入电压的变化范围一般为-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。当输入电压为下限值时，输出电压和电流为上限值时的输入电流，就是开关电源最大输入电流。额定输入电流是在输入、输出电压和电流均在额定范围时的电流。开关电流的平波输入方式是电容输入方式，峰值电流较大，需要考虑电流的波峰系数和功率因数的规定。（2）输出技术指标额定输出电压就是输出端的直流电压的公称值，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。根据不同的设备，多路输出电源中某路输出电

54、流值上升，另路输出电流值就必须下降，使得总输出电流不变。稳压精度即输出电压精度或电压调整率，输出电压变化的原因有很多。输出电压可调范围就是在确保电压稳定精度的件下，外部所能调整的输出电压范围，多在5%或10%之间。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。纹波指输出电压中与输入电源频率同步的交流成分，用峰峰值表示。噪声指输出电压中除纹波以外的交流成分，也用峰一峰值表示。常用纹波和噪声的总合值减去输出电压中交流成分的峰峰值来表示输出电压中交流分量的大小。（3）附属功能过电流保护电流保护就是输出短路或者过负载时对电源或负载进行保护。保护特性有额定电流下垂特性；恒

55、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有特性指标和质量指标。特性指标的范围包含、输出电流、最大输出电流、出电压、输出电压调节范围；质量指标的服务包含纹输出电压调整率和波电压。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，用键盘预置几组电压值，逐一测量，将测量值和数码管显示值进行对比，加入测量后发现输出电压跟随键盘输入的变化而改变，且数码管显示值也同时改变并与测量结果相似，那么电路的工作室正常的。但若在检查中发现

56、电路失去了调节作用，输出电压完全不随键盘输入变化而改变，应该先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，找出问题出现的原因。测试电路如图5.1所示，进行输出电压调节范围以及输出电压的测试时，均采用这个测试电路。测试步骤：先调节交流调压器，将输入电源电路的交流输入电压设定为220v，在电源电路的输出端，选择合适的负载电阻RL的阻值（阻值一般为几十到几百欧姆、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，此时，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

57、流表读数达到达1A后，用万用表测输出电压，测得输出电压为11.96v，在120.5这个范围内，符合任务要求指标；用键盘改变预置电压，让输出电压输出值为最小值3v，同样调节变阻器使得输出电流，达到最小值，再次测得输出电压为3.1v，在311.96v。其中， Vs为电路输入电压，Vi为电网输入电压。整流滤波整流滤波ViVs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最大输出电流的测试测试电路仍然按照图5.1连接，以下是测试步骤：调节交流调压器，使电源电路输入电压为Vmin=220 x(1-10%)=198v,通过键盘预置最小电压让输出电压为最小值，取负载电阻为1.5欧姆，这时

58、输出电流为最大值2A，测得电压为3.2v，随后，断开和接通负载，观测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改变，为3.3v，跟之前的测量值差别不大，可以判断电源可以输出这样的最大电流为2A。如果在测试中发现输出电压有明显的改变，可以根据情况限制输出电流或输出电压。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，确定电源的输入电压为220v，调节滑动变阻器以获得适当的负载电阻。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串接的电流表测量值稍大于最大输出电流值5A，调节后显示值为5.1A,当电流到达此值时，可测

59、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，输出端将会短路。当调节变阻器使输出电流大小在正常范围（小于5A）时，电源输出电压正常。电压调整率的测试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，叫做电压调整率。用公式表示为：，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分别变化到电网电压+10%（242v）和-10%（198v）时，输出电压的变化量。电压的调整率越小，电源的稳定性就越高。测试电路仍采用图5.1，测试步骤：使用键盘预设电压为最大值、最小值、中间值，使得输出电压分别为11.6v、3.2v、

60、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，随后调节调压器，使得交流输入电压为242v，测得此时的输出电压=11.83v，再调节交流调压器，使交流输入电压为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%纹波电压的测试狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分,纹波电压通常用有效值或峰值表示。以下为测试步骤：交流纹波电压的最大值通常在负载电流最大的时候出现，所以,测试输出纹波电压时，必须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用毫伏表测出，峰峰值可用示波