基于单片机的数控直流可调开关电源设计

本科毕业设计（论文）基于单片机的数控直流可调开关电源设计学 院 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年级班别 13 电气工程及其自动化学 号 2013401020123 学生姓名 江 军 指导教师 唐文涛 2017 年 5 月 16 日JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY荆楚理工学院毕业设计（论文）I目 录1 前言 .11.1 设计背景及研究意义 .11.2 设计任务 .12 方案设计 .22.1 系统整体方案描述 .22.2 关键模块论证 .22.2.1 主功率变换电路论证 .22.1.2 辅助电源电路论证 .32.1.3 输出电路论证 .32.1.4 微处理器控制模块论证选择 .33 硬件电路设计 .43.1 主功率变换电路 .43.1.1 220V 输入抗干扰及整流滤波电路设计 .43.1.2 主功率开关电路设计 .43.1.3 PWM 控制及稳压电路电路设计 .53.1.4 变压器设计 .73.1.4.1 主功率变压器设计 .73.1.4.2 激励变压器设计 .73.2 输出电路设计 .83.2.1 BUCK 同步降压电路设计 .83.2.2 驱动电路 .83.2.3 反馈采样电路 .93.3 主控及显示模块设计 .103.3.1 单片机最小系统及按键电路设计 .103.3.2 液晶显示电路设计 .103.4 辅助电源设计 .113.4.1 辅助电源电路设计 .113.4.2 辅助电源变压器设计 .124 系统软件设计 .144.1 程序设计及流程图 .144.2 PID 算法 .145系统调试 .165.1 硬件调试 .165.1.1 主功率变换电路调试 .165.1.2 输出电路调试 .175.1.3 辅助电路调试 .185.2 软件调试 .185.3 整机测试 .185.4 系统各个模块实物图 .196 总结 .20参考文献 .22荆楚理工学院毕业设计（论文）II附录 1 主功率开关原理图 .23附录 2 主控及显示电路图 .24附录 3 辅助电路图 .25附录 4 输出电路图 .26附录 5 PCB 图纸 .27荆楚理工学院毕业设计（论文）III基于单片机的数控直流可调开关电源设计摘 要我国是一个能源大国及能源消耗大国，随着节能减排的普及，低碳生活理念的提出，人们对于如何节能越来越重视。研究性能可靠，效率高的开关电源成为了当今的热门。开关电源在当今的社会中有着举足轻重的地位，由于其体积小、自重轻、效率高的特点，所以小到手机充电器，大到电视机中都可看到它的身影。在个人电脑、通信设备、军事领域、仪器仪表方面得到了长足的应用。在巨大的市场需求下，如何使开关电源在数控的调控下实现高精度高效率成为了当今热门的研究。本设计利用了电力电子技术、微处理器技术、数字电子技术、模拟电子技术、开关电源技术，旨在设计一款数控高效率高精度开关电源，功率变换部分采用隔离推挽式开关电源使 220V 市电变换为 50V 直流电压，辅助电源部分采用单激式隔离开关电源得到 15V 与 5V 直流电压，电压变换部分采用 BUCK 同步降压，使输出电压在 0-40V 可调，输出电流 0-10A 可调，步进精度为0.1V、0.1A，主控芯片采用 STM32 单片机，控制算法采用 PID 调节，系统稳定性高，输出纹波100mv 以内，输出功率峰值 400W。【关键字】隔离推挽 开关电源 单片机 PID荆楚理工学院毕业设计（论文）IVDesign of DC adjustable switching power supply based on single chip microcomputerAbstractChina is a large energy country and energy consumption, with the popularity of energy-saving emission reduction, low-carbon concept of life put forward, how people pay more attention to how energy. Reliable performance and high efficiency switching power supply has become a hot topic today.Switching power supply in todays society has a pivotal position, because of its small size, light weight, high efficiency, so small to the phone charger, large TV can see it in the shadow. In the personal computer, communications equipment, military fields, instrumentation has been a large application. Under the huge market demand, how to make the switching power supply under the control of CNC to achieve high precision and efficiency has become a popular research.The design of the use of power electronics technology, microprocessor technology, digital electronic technology, analog electronic technology, switching power supply technology, designed to design a CNC high efficiency and high precision switching power supply, power conversion part of the isolation push-pull switching power supply 220V The mains conversion to 50V DC voltage, auxiliary power supply part of the single-phase isolation switching power supply to be 15V and 5V DC voltage, voltage conversion part of the use of BUCK synchronous buck, the output voltage adjustable in the 0-40V, the output current 0-10A can The precision of the step is 0.1V, 0.1A, the master chip adopts STM32 single chip microcomputer, the control algorithm adopts PID regulation, the system stability is high, the output ripple is within 100mv, the output power peak is 400W.【Key words】Isolate the push-pull Switching power supply SCM PID11 前言1.1 设计背景及研究意义随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系变得日益密切。所有的电子设备都离不开电源，电源的质量与性能的高低直接影响到整个系统的优劣与可靠性。开关电源由于其体积小、重量低、效率高、可靠性强渐渐成为当前电子设备供电电源的首选，成为当前电源发展的一大热门方向 1。开关电源是利用电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比） ，以高频变压器作为隔离或者储能元件，输出稳定电直流电压的装置 2。开关电源和线性电源相比，有如下优点:1）开关电源的体积小重量低。采用高频变压器替代大体积大重量的工频变压器，减小体积重量及金属使用量。2）开关电源的效率高。由于功率管工作在开关状态，只有通态损耗与开关损耗，且在开关电源设计的 PWM 控制范围之内功率管的功耗不随输入电压与输出电压变化，所以其损耗很低，使得其效率一般可以达到 70%以上。而线性电源中的调整管一直工作在放大状态，当调整管上流过较大电流时，功耗大大高于开关电源中工作在开关状态的功率管。特别在输出电压较低的时候，效率往往低于 50%。3）开关电源的适用范围广。因为开关电源输出电压由输入电压、开关管占空比、变压器变比共同决定，所以开关电源可以设计成宽电压输入，目前用电器上的开关电源输入范围可以兼容国内220V 与国外 110V 的电源。在经济日益全球化的今天，这一特点是线性电源无法比拟的。4）开关电源更安全。开关电源中当功率管损坏时，主回路会停止工作，输出端没有电压，不会损害用电设备。而线性电源输入与输出电压差一般情况下很大，一旦调整管击穿，输入电压将会全部加载到输出端上，用电设备很可能会因为过压而损坏。另外开关电源在设计时会考虑过过流、过压、过功率、过热等多充保护机制，以及各种安规元件，保障了系统的安全性。随着单片机技术的蓬勃发展和控制理论的不断完善，开关电源也从之前的电源芯片控制到现在的采用单片机或者微处理器控制。当前开关电源主要朝着更高效率、更高功率密度、更好的动态特性、更智能化、更环保的方向发展。本设计正是利用当前大热的单片机技术，结合成熟的开关电源技术，设计一款优良的数控开关电源。1.2 设计任务本设计旨在做出一款实用的大功率数控开关电源，预计输出电压 0-40V，0.1V 步进可调，输出电流 0-10A，0.1A 步进限流控制。主控方面采用意法半导体公司生产的 STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器件，实现对输出电流电压的实时调控。显示方面采用 LCD12864 液晶显示，显示精度达到 0.01V、0.01A，步进达到 0.1V，且具有过流保护功能。由于从市电接入获取能量，需要较大的输出功率，降压开关电源部分采用半桥隔离开关拓扑结构，并以 TL494 作为调控器件，使主功率回路具有完善的保护功能。为了给控制回路以及芯片提供稳定电源，设计了一个辅助开关电源，采用反激开关拓扑结构，开机上电提供稳定供电。由于本设计各个模块比较独立，多以分别以各个模块制作实现，制作出各个模块并调试成功后，再进行系统调试，降低了设计难度也使得设计可靠性更强，最终以实物的方式呈现毕业设计。荆楚理工学院毕业设计（论文）22 方案设计2.1 系统整体方案描述系统总体框图如图 2.1 所示，从市电输入的 220V 交流电经半桥开关主功率电路变换到 50V 直流，经辅助电源变换为 12V、5V、3.3V 直流电压给各个控制电路供电。以 STM32F103C8T6 单片机作为主控芯片，控制 LCD12864 显示输出电压电流和设置电压电流，单片机输出 PWM 信号经由 PWM 驱动电路驱动 BUCK 同步降压电路输出想要的电压值，BUCK 同步降压电路输出的电压电流经电压电流检测电路反馈到单片机构成电压环和电流环的闭环反馈。按键电路设置为外部中断触方式，修改的电压电流值经单片机调节 PWM 输出进而控制 BUCK 同步电路场效应管导通关断时间来控制输出电压电流值。显示接口 按键接口微处理器控制模块P W M 输出接口 A D 转换接口按键电路显示电路主功率模块电路B U C K 同步降压电路P W M 驱动电路电压电流检测电路市电输入 辅助电源+-2.1 系统总体框图2.2 关键模块论证2.2.1 主功率变换电路论证方案一：采用单端正激式开关拓扑，单端正激式开关电源比较常见，目前来说技术比较成熟，结构较简单紧凑。输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好，相对于反激开关电源在控制开关处于断开期间才由储能电感和储能电容提供，正激开关电源在变变压器原边导通时副边感应出对应电压荆楚理工学院毕业设计（论文）3输出到负载，能量由变压器直接传递，带负载能力来说相对较强，输出电压纹波较小 3。但由于是单端的拓扑，且开关管上承受的电压较高，容易烧管，因此单端正激式开关电源多用于 100-200W的场合。方案二：采用半桥开关拓扑，半桥式开关电源由于其输出功率大，工作效率高，已经成为目前市场上非常成熟的一种拓扑结构。半桥开关电源由于其两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，因此半桥开关电源的输出功率很大，输出电压纹波很小，一般可以到 400W 以上。加载到两个开关管上面的电压为输入电压的一半，有效的防止开关管的击穿。变压器的初级绕组也只有一个，变压器绕制表方便。综上，由于本设计功率较大，为保证安全与电源输出功率，采用半桥开关拓扑结构。2.1.2 辅助电源电路论证方案一：采用工频变压器，工频变压器可直接将市电电压下变压到所需电压，经整流滤波之后即可使用，缺点是其体积大，发热量大，工作效率低。方案二：采用单管自激开关电源，单管自激式开关电源结构简单，由于工作方式为自激，相对于其他的开关拓扑最大的优点就是省去了开关驱动电路，因此其结构简单，所需元件少，在小功率开关电源中尤为受到青睐，体积可以做到很小，成本低，电源利用率较高，调控起来方便。综上，为减小本设计体积以及提高总机效率，采用单管自激式开关电源。2.1.3 输出电路论证方案一：采用 BUCK 降压电路，BUCK 降压电路是指输出电压小于输出入电压的单管不隔离的DC-DC 变换电路，驱动电压采用 PWM 脉宽调制信号，通过控制开关管的导通与关断时间来控制输出电压。常见于电子电路中，由于其以开关变换原理为理论基础，其转换效率很高，达到 80%，但是其开关噪声较大。方案二：采用 BUCK 同步降压整流电路，众所周知 BUCK 降压电路中损耗最大的就是开关管开关损耗和二极管的通态损耗，所以 BUCK 同步降压整流使用场效应管替代续流二极管，通过控制器使得两个开关管在一个周期内互补开通关断，取代之前二极管的整个周期之内的导通。由于 MOS 管的导通电阻非常小，相对于二极管导通固定的 0.4V 压降会大大的减小损耗，使得 BUCK 同步降压整流的效率达到 95%以上。综上，为提高整机的效率，降低发热量，选择 BUCK 同步降压整流电路。2.1.4 微处理器控制模块论证选择方案一：采用 STC89C52 单片机，51 单片机为目前市面上发展成熟的一款微处理器，该单片机功耗较低，为 8 位微处理器，该款单片机具有 8KB Flash 存储空间，512B RAM 数据存储空间，32位 IO 口，3 个 16 位定时器，由于其工作速率较低，而且不具有 PWM 输出路，对于处理 PID 这样的算法就有些促襟见肘了。方案二：采用 STM32F103C8T6 单片机，该款单片机是由意法半导体生产的 ARM V7 架构的微处理器，工作频率高达 72MHz,具有 64KB Flash，20K 的 RAM，10 个 12 位的 AD 转换器，37 个 IO 口，具有 8 路 PWM 输出，数据处理能力强，采用贴片封装，体积小，功耗低，速度快，由于其内部集成东西很多，这样外围辅助元件所需很少，大大节省了空间 4。综上，本设计需要处理能力较强，体积小的单片机，所以采用 STM32F103C8T6 单片机。荆楚理工学院毕业设计（论文）43 硬件电路设计硬件电路由主功率变换电路，输出电路，主控及显示电路，辅助电源电路构成。主功率变换电路包括 220V 输入整流电路，开关电路，输出整流及滤波电路，PWM 电路。输出电路包括 BUCK 同步降压电路，驱动电路，滤波电路，反馈电路。主控电路包括 STM32 最小系统电路，LCD12864 显示电路。辅助电源电路包括自激式开关电源电路和 5V 转 3.3V 电路。3.1 主功率变换电路主功率变换电路将市电 220V、50HZ 的工频交流电转变为 50V 的直流电，本部分采用隔离式半桥开关电源拓扑，利用 TL494 产生 PWM 波驱动激励变压器，激励变压器驱动开关管的导通关断，由TL494 内部的误差放大器进行稳压和恒流，实现电压的变换。3.1.1 220V 输入抗干扰及整流滤波电路设计220V 输入整流滤波的原理图如图 3.1 所示。输入到系统的 220V 交流电首先经过两级 EMI 滤波电路，这两级 EMI 滤波电路由 C32、L4、C33、C28、L5、C27、C34 组成，其本质上是低通滤波电路，允许 50Hz 的工频交流电通过，从而抑制电网中的高频谐波对整个系统的影响，同时也可以阻止系统本身产生的高频谐波进入电网而干扰其他用电设备 5。经过 EMI 滤波电路的 220V 交流电再经过无源 PFC 电路进行功率因数校正，无源 PFC 电路是由C30、R33、L3 构成的低通滤波电路，电感 L3 在这里起到缓冲补偿的作用，减小输入交流电的电压与电流之间的相位差，从而提高系统的功率因数。校正之后的 220V 交流电经过全桥 ZL1 进行全桥整流，之后经 C29、C35 滤波得到稳定的直流电压，且 C29、C35 充电到 160V 左右，供给半桥开关电路使用。图 3.1 220V 输入整流滤波电路3.1.2 主功率开关电路设计主功率开关电路采用半桥开关拓扑结构，电路原理图如图 3.2 所示。两个开关管 Q1、Q2 在一个开关周期内交替导通，来自 TL494 9、11 两脚的 PWM 信号，给到推挽驱动管 Q3，Q4 的基极，使之交替导通。由辅助电源提供的 12V 直流电，在经过 T2 的初级绕组 N1、N2 之后到 Q3