20V输出DC-DC开关电源的设计与制作-电子信息工程学士毕业论文

密级： NANCHANGUNIVERSITY GONGQING COLLEGE 学学 士士 学学 位位 论论 文（设文（设 计）计） THESISOFBACHELOR （20112015 年） 二 一 五 年 六 月 中文题目:20V 输出 DC-DC 开关电源的设计与制作 英文题目： 20 v output DC - DC switching power supply design and production 学院：南昌大学共青学院 系别：电子信息工程系 专业班级：11 级电子信息工程本科 1 班 学生姓名： 学号： 指导教师： 南昌大学共青学院毕业设计（论文）原创性声明 学士学位论文原创性声明学士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 本人签名：日期： 南昌大学共青学院毕业设计（论文）摘要 I 摘摘要要 近些年来，快速发展起来的开关电源技术，其中 DC-DC 开关电源已经在广 泛应用在计算机、 通讯以及便携式电子产品等领域。 因为高效节能的 DC-DC 开关 电源所能带来的巨大经济效益，从而发展推广的特别的迅速。而这些年电力电子 技术的不断发展，让开关电源技术也在不断的发展。 本次论文是设计一款降压型 DC-DC 开关电源电路。 首先本文详细的阐述了开 关电源的原理和各种转换器的拓扑结果，其中着重解释了 DC-DC 降压的原理。然 后根据性能要求设计电路的整体框图。对电路的各个部分进行设计和分析，包括 整流滤波电路，BUCK 降压电路，采样电路，驱动电路，显示电路。其中输入电 压是 24V，输出电压范围在 0V-20V 之间。 关键词：开关电源；降压型；DC-DC 转换；BUCK 电路； 南昌大学共青学院毕业设计（论文）Abstract II Abstract In recent years, the rapid development of the technology of switching power supply, the DC-DC switching power supply have been widely used in computer, communications and portable electronic products etc Because of high efficiency and energy saving DC-DC switching power supply brings enormous economic benefits, so get rapid promotion. The electric power electronic technology development, so that the switching power supply technology is also in constant development. Of this thesis is to design a DC-DC buck switching power supply circuit. Firstly, this paper discusses the principle and topology of switching power converter, which focuses on the interpretation of the principle of the DC-DC buck. Then according to the overall performance requirements of the design of the circuit diagram. The design and analysis of each part of the circuit, including the rectifier filter circuit, BUCK circuit, sampling circuit, drive circuit, display circuit. The input voltage is 24V, output voltage is in the range of 0V-20V. Keywords: switching power supply; buck DC-DC converter; BUCK circuit; 南昌大学共青学院毕业设计（论文）目录 目目录录 摘 要错误！未定义书签。错误！未定义书签。 Abstract错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第一章 引言.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.1 背景与意义.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.2 国内外开关电源研究现状1 1.2.1 国外的研究现状.1 1.2.2 国内的研究现状.2 第二章 开关电源的基本原理和拓扑结构9 2.1 开关电源的工作原理9 2.2 开关电源的电路拓扑结构9 2.2.1 Boost 变换器3 2.2.2 Buck 变换器.4 2.2.3 Buck-Boost 变换器4 2.2.4 Cuk 变换器.5 2.3 降压型 DC/DC 开关电源工作原理5 第三章设计方案和硬件选型.8 3.1 设计要求8 3.2 整体设计方案8 3.3 LM358.8 3.3.1 LM358 简介.9 3.3.2 LM258 的引脚图.9 3.3.3 LM358 的内部原理图.10 3.4 IR210310 3.4.1 IR2103 简介.10 3.4.2 IR2103 功能框图. 11 3.4.3 IR2103 引脚图. 11 3.5 STC12C5A60S2 单片机介绍.11 3.5.1 STC12C5A60S2 单片机简介11 3.5.2 STC12C5A60S2 单片机内部结构13 3.5.3 STC12C5A60S2 单片机的 AD 转换器 14 第四章 系统电路设计.16 4.1 整流滤波电路16 4.2 BUCK 主原理电路.16 4.2.1 开关管及续流二极管的选择.16 4.2.2 电感设计17 4.2.3 滤波电容参数计算17 4.3 采样电路18 南昌大学共青学院毕业设计（论文）目录 4.3.1 电压采样18 4.3.2 电流采样18 4.4 驱动电路18 4.5 显示电路.20 第五章 系统仿真及调试22 5.1 软件仿真调试22 5.2 实物调试23 总结25 参考文献.26 致谢.27 附录 A 设计总电路图28 附录 B 源程序.29 附录 C 实物图.42 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第一章 前言 1 第一章前言 1.1背景和意义 作为信息化的时代的 21 世纪，快速发展的信息化使得人们对于电子产品、设 备的依赖性越来越强。而电源就是电子产品的心脏，开关电源的重量比线性电源 更轻，体积比线性电源更小，而效率比于线性电源更高。 这些年来，开关电源的发展力求越来越小，越来越轻，和高频率的趋势。所 以也就要求储能元件变得更小，为了让一些储能元件能减小一些，只能一定程度 的提高开关电源的频率。而今高频开关电源正变得更小，更轻，效率更高，更可 靠。所以，开关电源的未来是向着高频的方向发展的。 一切电子设备最重要的部分就是电源，其质量的优劣直接影响到电子设备的 优劣性。对于开关电源，更需要重点关注这个问题。现在随着人们对于电子设备 的便携式要求越来越高，而电子设备的核心，电池供电系统自然要求也更高，趋 向于更小，更轻，效率更高，更可靠，DC-DC 稳压开关电源就成为了首选。模块 化，集成化，这两个关键词是目前电力，电子和电路的发展的主要方向。各种各 样的芯片，多样的控制功能，也是不断的朝着模块化，集成化方向发展，从而使 得电源产品也越来越小、可靠性也越来越高。 近些年，有着高效节能电源之称的开关电源，代表稳压电源这些年主要的发 展方向。从 90 年代初到现在，开关电源不断的沿着以下的两个方面发展和创新。 一、中型功率的开关电源和小功率的开关电源向着单片集成化发展。二、控制电 路集成化。开关电源 DC-DC 变换器，目前在国际上它已成为开发中型功率开关电 源模块和小功率开关电源模块的第一选择。开关电源 DC-DC 变换器为了保持稳定 的直流输出电压，所以人们研究的重点就成了各种 PWM 控制结构。设计开发开发 电源，可以说是大势所趋，从各个方面来说，都有其巨大的价值。 1.2国内外研究现状 1.2.1 国外的研究现状 1955 年的美国科学家洛耶 （G.H.Royer） 最早开发出使用饱和磁芯的自激晶体 管的 dc /dc 转换器。从那以后，各种各样的形状的晶体管的 DC/DC 转换器这个技 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第一章 前言 2 术不断发展。从而寿命比晶体管 DC/DC 转换器更短，可靠性也比其更差，转换效 率比其更低的旋转和机械振子式的换流设备被慢慢的淘汰。由于功率晶体管的 dc / dc 转换器的开关状态，所以电源输出集团数量可变极、高效、小型、轻量， 因此广泛使用于电脑通信，航空宇宙，电子和其他领域。60 年代的终点，微电子 学技术的迅速发展，出现了高电压晶体管。这个转换器是直接输入整流，过滤， 已不需要工频变压器。这样大幅度扩大的适用范围，并且无工频降压变压器的开 关稳压电源在这个基础上诞生了。音量和开关电源的量大幅度减少。开关电源真 的做到高效率，小型轻量。70 年代后，高频，高反压的相关技术中，高频电力晶 体管，开关二极管，高频电容，变压器核心组件总开关也不断的开发生产出来， 所以开关电源的迅速的发展，被广泛用于电脑通信、航空航天领域，开关稳压电 源成为各种各样的电源中领导者。 1.2.2 国内的研究现状 开关电源属于电力电子技术。直流/直流转换器晶体管稳压电源开关在我国的 发展从 60 年代初到 60 年代中期开始进入实用阶段，七十年代初开始研究并制作 降压变压器。过去十年，我国的许多工厂，大学和研究机构已经研究出各种降压 开关电源， 20kHz 左右的工作频率， 低于 1000 W 的输出功率。 以用于电脑， 通讯， 电视，并取得了不错的效果。80 年代初，人们开始研制工作频率为 100 kHz 至 200KHz 高频开关电源。并且在 90 年代初就成功开发出，现在国内已经进入实用 的阶段，并且进一步的提高工作频率。这些年来，虽然中国在开关稳压电源的开 发和研究上经过了许多努力，也取得了很不错的成果。但是和一些发达国家相比， 还有很大的差距。我国对于开关电源的研究制作水平想要追上世界顶级的水平， 半导体技术的进步非常重要。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 3 第二章 开关电源的基本原理及电路拓扑 2.1 开关电源的工作原理 开关电源是通过控制开关管开通和关断的时间比率，（改变开关管关断和接 通时间的比例也称作改变脉冲的占空比，）根据负反馈来改变电源接通和断开的 占空比，从而维持稳定输出电压的一种电源。脉冲的占空比由开关电源的调制控 制器来调节。 开关电源有有四种调制方式：一、脉冲宽度调制(PWM)，即脉宽调制。 特点：开关周期是固定值,由改变脉冲宽度从而改变占空比实现稳压的目的。PWM 开关电源应用比较广泛，因为其占空比调节的范围比其它的调制式开关电源大。 二、脉冲频率调制(PFM)，即脉频调制。特点：脉冲宽度是固定值，由调节开关的 频率从而改变占空比来实现稳压。三、脉冲密度调制（PDM）,即脉密调制。特点： 脉冲宽度是固定值，由调节脉冲数来实现稳压。四、混合调制，它是一和二两种 方式的组合，脉冲宽度和开关周期均都不固定，彼此均可调节，包含了 PWM 控制 器和 PFM 控制器。 2.2 开关电源的电路拓扑结构 开关电源的拓扑结构是指开关电源的核心部分，可以控制，转换，调节输入 电压和功率的不同配置，其中主回路包含了开关电源中的滤波器，开关器件，脉 冲转换器、输出整流器，储能器件，等所有功率器件，以及供电输入端和输出负 载端。 而小型， 可靠性高的 DC-DC 直流转换电路是开关电源主要发展方向。 DC-DC 开关电源变换器可以分为四种：Boost 变换器，Buck 变换器，Buck-Boost 变换器 和 Cuk 变换器。 2.2.1 Boost 变换器 Boost 变换器，如图 2.1 所示，也称升压变换器。输入电压的极性和输出电压 的极性相同，输出电压 Uo 大于输入电压 Ui：1/ioUU，Tton/。 工作原理：当 VT 导通时，电流通过 L 平波，L 通过输入电源充电。当 VT 断开时，电感 L 与电源同时向负载端放电，输入电压加上电感输出电压等于输出 电压，所以有升压的作用。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 4 图 2.1 Boost 变换电路 特点：电压较小，输出纹波较大时，由于输出电流以脉冲输出到负载和电容， 会产生噪声问题，一般用于功率较低配置。 2.2.2 Buck 变换器 Buck 变换器，如图 2.2 所示，也称降压变换器。输入电压的极性和输出电压 的极性相同，输出电压 Uo 小于输入电压 Ui：UiUo，Tton/。 Uo 为输出电压，Ui 为输入电压，T 为开关管的导通周期，Ton 为开关管一周 期的导通时间。 图 2.2 Buck 变换电路 工作原理：当 VT 导通时，输入电源经过 L 平波和 C 滤波后向负载提电；当 VT 断开后，L 通过二极管来续流，使负载端的电流不断开，保持电流连续。 特点：输出电流是脉动的，只能用于降压，一般输入端需要一个滤波器，适 用于大电流、中功率配置。 2.2.3 Buck-Boost 变换器 Buck-Boost 变换器，如图 2.3 所示，也称升降压变换器。输入电压极性与输 出电压极性相反，可升压，可降压。输出电压 Uo 和输入电压 Ui 的数量关系为： )1/(UiUo，Tton/。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 5 图 2.3 Buck-Boost 变换电路 工作原理：在 VT 导通时，电流经过电感 L，L 储存电能。当 VT 断开时，电 感向电容充电，同时向负载端放电。 特点： 由于来自电压源的电流及经过二极管送到输出部分的电流均是脉动的， 所以很难控制其传导的电磁干扰（包括各种开关瞬间变化），一般用于几 A 的功 率电源。 2.2.4 Cuk 变换器 Cuk 变换器， 2.4 所示， 也称串联变换器。 输入电压极性与输出电压极性相反， 即 可 升 压 ， 又 可 降 压 ， 输 出 电 压 Uo 和 输 入 电 压 Ui 的 数 量 关 系 为 ： )1/(UiUo，Tton/。 图 2.4 Cuk 变换电路 工作原理：在 VT 导通时，二极管 VD 反偏截止，此时电感 L1 储存电能；C1 的放电电流使 L2 储能，并向负载提供电流。在 VT 断开时，VD 正偏导通，这时 输入电源和 L1 向 C1 充电；同时 L2 的释放能量的电流将维持负载端的电流。 特点：电路相对来说比较复杂，但是纹波的情况得到改善，可用于高达 kW 级甚至更高功率。 2.3 降压型 DC/DC 开关电源工作原理 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 6 DC/DC转换是将一个直流电压变换成另一个稳定的或者可调的稳定直流电压 的过程，完成这一转换过程的电路称为 DC/DC 转换器。根据输入与输出电路之间 的关系，DC/DC 转换器可以分成两种：非隔离式与隔离式。降压型 DC/DC 开关 电源是非隔离式的。利用单端反激拓扑结构可以实现固定电压输出，但是不能实 现可调电压输出。想要输出电压可调，需要利用降压斩波电路，把较高的直流电 压变成较低的直流电压。Buck 降压斩波电路可以实现这一功能，通过调节控制脉 冲可以方便的调节输出电压，降压式 DC/DC 变换器基本工作原理电路如图 2.5 所 示。 图 2.5 降压式 DC/DC 变换器基本工作原理电路 其中，VT 为开关管，控制电路决定着它的导通或者关断；电感 L 和电容 C 为滤波元件。当 VT 导通时，输入电压 Ui 通过电感 L 向负载 R 提供电流，同时输 入电压也在向电容 C 充电。此过程中，C 及 L 中储存能量。VT 断开时，L 中的 电能继续向负载 R 提供电流，当输出电压 Uo 要减小时，C 中的能量也向 R 提供 电流，由此来维持输出电压不变。二极管 VD 为续流二极管，以便构成电路回路。 输出电压被 R1 和 R2 分压，同时把输出电压的信号反馈到控制电路，由控制电路 控制改变 VT 的占空比，由此实现输出稳定的输出电压。为了让负载电流连续不 断开并且让脉动小一些，一般串联 L 相对较大的电感。等到一个周期 T 完结，再 控制 VT 导通，循环上一周期 T 的过程。当电路运行处于稳定状态时，一个周期 内的负载电流的初值等于终值。负载电压平均值: ioniUTTUU/0 (2-1) 式 2-1 中onT为 VT 处于导通的时间， T 为开关管控制信号的周期， Uo 为输出电压， 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 7 Ui 为输入电压。为控制信号的占空比。该式可以看出，最大为 1，减小，Uo 总是小于 Ui，所以，称之为降压型 DC/DC 转换器。负载电流的平均值为： RUI/00 (2-2) 图 2.6 负载电流断流时波形 如果负载中的电感值比较小，则开关管断开后，负载电流会在一个周期内出 现断流的情况，因此降压型 DC/DC 开关电源有两种工作模式，分别是非连续电流 模式（DCM）与连续电流模式（CCM)，波形图如图 2.6 与图 2.7 所示。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第二章 开关电源的工作原理及电路拓扑 8 图 2.7 负载电流连续时波形 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第三章 方案设计及硬件选型 9 第三章 方案设计及硬件选型 3.1 设计要求 研究开关电源的工作原理，基于模拟电路或单片机技术实现一款 20V 输出 DC-DC 型开关电源，要求设计出电路方案，利用仿真平台验证方案的可行性，并 制作实物样机。 功能需求：DC-DC 开关电源输出电压 20V，并数码显示输出电压。 性能参数：1、开关电源最大输出功率不小于 10W。 2、利用数码管或液晶屏显示输出电压。 3、输出电压纹波不大于 100mv。 3.2 整体设计方案 由 220V 交流电压经变压器和整流滤波后得到直流的输入电压 24V； 将输入电 压输入Buck降压电路， 由控制电路提供PWM控制信号控制开关管的导通与截止， 用来调节直流电压的占空比，最后得到稳定或者可调的直流输出电压。输出电压 范围为：0V 至 20V 直流电压。 图 3.1 整体设计框图 通过对输出电压的采样，比较和放大，来调节脉冲的宽度，最后达到输出稳 定的直流电压的目的。同时采用 A/D 转换器将输出电压送 LED 数码管进行显示。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第三章 方案设计及硬件选型 10 3.3 LM358 3.3.1 LM358 简介 LM358 是双运算放大器。LM358 内部有两个独立的，内部频率补偿，高增益 的双运算放大器，电压范围比较宽的单电源比较适合使用，亦或是双电源。在正 常的工作条件下，电源电流与电源电压没有联系。它的使用范围有:音频放大器， 直流增益模组，传感放大器，DC 增益部件，工业控制和其他所有可用单电源供电 的使用运算放大器的场合。 图 3.2 塑封引脚图引脚功能 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第三章 方案设计及硬件选型 11 图 3.3 内部电路原理图 3.4 IR2103 3.4.1 IR2103 简介 半桥驱动器 IR2103 是高电压，高速功率 MOSFET 和 IGBT 的驱动与依赖的 高和低侧参考输出通道。专门的 HVIC 和无影响锁存 CMOS 技术确保了单块集成 电路结构的耐用。逻辑输入与标准 CMOS 输出或输入通道兼容，下降到 3.3V 逻 辑。输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级设计的最小驱动器交叉传导。悬浮通道可 以驱动高侧的配置高达 600V 的功率 MOSFET 或者 IGBT。 图 3.4 典型连接 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第三章 方案设计及硬件选型 特点：交叉传导预防逻辑，栅极驱动电压范围为 10.0V 到 20.0V，3.3V，5.0V 和 15.0V 的逻辑兼容，+5.0V 的负瞬态电压 DV/dt 免疫，匹配的两个通道的传播 延迟，内部设置死区时间，相高侧输出显 HIN input，低端相输出 OUT 与 LIN 输 入。 3.4.2 IR2103(S)功能框图 3.5 功能框图 3.4.3 IR2103 引脚图 3.6 IR2103 引脚图 3.5 STC12C5A60S2 单片机介绍 3.5.1 STC12C5A60S2 单片机简介 在许多的51 系列单片机中， 要算国内 STC 公司的1T 增强系列最具有竞争力， 和传统 8051 指令、管脚完全兼容，而且 STC 单片机允许编写串口程序，STC 单 片机对于开发的设备基本没什么要求，开发的时间也不需要太多。写入单片机里 面的程序还会有加密保护，让开发人员不用担心劳动成果被窃取。 STC12C5A60S2 属于 8051 系列单片机，与普通的 51 单片机对比有以下几个 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第三章 方案设计及硬件选型 13 特点： 1、有 WATCH_DOG。 2、有 8 路 10 位 AD。 3、有 PWM 控制功能，比普通的 51 单片机多两个定时器。 4、有 EEPROM。 5、有 SPI 接口。 6、相比 51 单片机有 1K 的内扩 RAM。 7、同样晶振的情况下，速度是普通 51 单片机的 812 倍。 8、多一个串口。 9、IO 口可以定义，有四种状态。 10、中断优先级有四种状态可定义。 3.3.2STC12C5A60S2 单片机的内部结构 STC12C5A60S2 单片机中有 SPI 接口，片内 R/C 振荡器，看门狗，定时器， UART 串口，外部晶体振荡电路，串口 2，I/O 接口，高速 A/D 转换，程序存储器 (Flash) ， PWM/PCA ， 数 据 存 储 器 (SRAM) 及 中 央 处 理 器 (CPU) 等 模 块 。 STC12C5A60S2 单片机几乎包括了数据采集和控制中需要用到的所有模块，可以 看做一个片上小系统。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第三章 方案设计及硬件选型 14 图 3.7 2STC12C5A60S2 单片机的内部结构框图 图 3.8 管脚图 3.3.3 STC12C5A60S2 单片机的 A/D 转换器 A/D转换器结构：STC12C5A60S2的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第三章 方案设计及硬件选型 15 高速A/D转换器，速度可以达到250KHz。8路电压输入型A/D，可做频谱检测，电 池电压检测，按键扫描，温度检测等。上电复位后，弱上拉型I/O口为P1口，如若 要将8路中的一路设为A/D转换，可使用软件设置，而其他剩余的口可继续用作I/O 口。 图3.9 STC12C5A60S2单片机ADC的结构图 STC12C5A60S2单片机ADC内部存在多个单元，包括比较器，转换结果寄存 器，多路选择开关，10位DAC和逐次比较寄存器所构成的。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第四章 系统电路设计 第四章 系统电路设计 4.1 整流滤波电路 图 4.1 整流滤波电路图 220V 交流电压通过电源变压器变为 24V 交流电压。 24V 交流电压经过整流滤 波电路转换成 24V 直流电压。最终 220V 的交流输入电压变为 24V 直流输入电压 进入 DC-DC 转换电路中。 4.2BUCK 主原理电路 图 4.2 BUCK 原理电路图 BUCK 电路图如图 4.2 所示， C13 为输入滤波电容， TV1 为开关 MOS 管， VD1 为续流二极管，L1 为电感，C15 为输出滤波电容，R22 、R21 为输出电压的采样 电阻，R23 为输出电流采样电阻，该电路图是通过 PWM 波控制 TV1 开关 MOS 管的开关，并采样输出电压来调整 PWM 占空比的变化来达到使输出电压稳定。 4.2.1 开关管及续流二极管选择 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第四章 系统电路设计 17 根据选择开关管 MOS 额定电压至少比 VINMAX大 20%的原则，计算得选择 MOS 管的电压额定值应大于 VDSS=VINMAX*(1+20%)=24(1+20%)=28.8V。 根据选择开关管 MOS 额定电流至少比 IO大 20%的原则，计算得选择 MOS 管的电流额定值应大于 I=IO*(1+20%)=1(1+20%)A=1.2A。可以选择 SI4840D 开 关 MOS 管，其额定电压电流为 40V/14A，导通电阻 RDS低至 0.009，这样低的 电阻大大地降低了功耗。 同样的原理，肖特基本二极管额定电压、电流至少比 VINMAX、IO大 20%，可 计算得所选择的续流二极管的额定电压、 电流应大于 28.8V、 1.2A。 根据计算结果， 可采用 SR203 做为续流二极管，其参数为：VRM=30V,IO=2A,VF1=0.5V。 4.2.2 电感设计 1.计算所需电感量 基本的电感与电压电流关系： dt di LV (4-1) Q 导通期间（忽略 Q 的饱和压降）： ON OI L T L VV I (4-2) Q 关断期间（忽略 D 的压降）： OFF O L T L V I (4-3) 输出电压与输入电压的关系： I OFFON ON O V TT T V (4-5) 所需的电感量为： 445 3 . 0 833. 0120 3 1025 1 ? L OFFO I TV LH(4-6) 式中， VO输出额定电压 20V； TOFF一周期内开关关断时间， 开关频率为 25KHz, 而最小占空比为 0.278，所以)833. 01 ( 1025 1 T 3 OFF ； L I为输出电流纹波，取 经验值 0.3。 4.2.3 滤波电容参数计算 1.输入滤波电容 由于电路的输入电源会有一定的纹波，同时会采到开关器件的影响，为了减 小电压纹波，在电源的输入端加一个 470F 的电解电容。 2. 输出滤波电容 占空比 D 计算： 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第四章 系统电路设计 18 D= I O U U =833. 0 24 20 (4-7) 输出电容C的选定取决于对输出纹波电压的要求,滤波电容量应满足下式： F ULf VD C O O 220 8 )1 ( 2 (4-8) 式中：L：电感（单位H）；f：开关频率，取25KHz；D:占空比。 4.3 采样电路 4.3.1 电压采样 图 4.2 中 R22，R21 电压采样电阻采样输出电压，R22=10K,R21=2.2K,根据分 压原理，采样电压为: V1=V0 2221 21 RR R =3.6V(4-9) 式中 V1为采样电压，VO为额定输出电压 20V。这样，通过采样电压进行 PI 控制就可以使输出稳定在额定值，在图 4.3 中运放 U6A 用跟随器接法起到一定隔 离作用，采样电压经滤波后通过 AD 采集送到 STC12C5A60S2 单片机进行处理， 并对 MOS 的驱动 PWM 进行调整，从而实现电路的闭环控制。 图 4.3 采样电路图 4.3.2 电流采样 R23 为电流采样电阻，取 0.05。当输出电流为 1A 时，R3、R4 的采样电压 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第四章 系统电路设计 19 Vc 为 0.05V，这个电压太小，对于有 10 位 AD 的 M0，控制精度是不够的，为了 提高精度，。U5B 组成放大器，根据公式： Vop=Vc(1+ 20 14 R R )=69Vc(4-10) 可计算得电流采样电阻的电压 VC被放大了 69 倍，达到 3V 级别。电流采样电 路中也用到了和电压采样一样的低通滤波器。 4.4 驱动电路 图 4.4 驱动电路图 这里选用型号为 IR2103 的驱动芯片驱动 MOS 管，其高端输出电压： 20 SHO VV(4-11) 最大输入端电压： VVOFFSET600 max_ 提供输出电流： mAmAIO270130 图 4.4 为 IR2103 组成的 MOS 管驱动电路，2 脚接 STC12C5A60S2 单片机的 PWM引脚,7脚连到MOS管的G极， 6脚VS连到MOS管的S极， 这样通过IR2103 的自举能力，就可以起到可靠驱动 MOS 开关管的作用。 图中 D3 为 1N4148 消特基快恢复二极管， 其作用是给驱动提供电源并防止电 流倒灌。电容 C7、C4 为滤波电容，值取 10F。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第四章 系统电路设计 20 4.5 显示电路 图 4.5 显示电路图 图 4.6 数码管管脚图 本次设计选择用单片机控制系统来进行 AD 转换，把输出电压的模拟信号转 换为数字信号显示出来。本次设计采用的数码管的动态显示，这个方式一般将多 个数码管的 a,b,c,d,e,f,g(称为段码）都连在一起，而各数码管的位码相互独立。某 一时刻，当字形码从单片机输出后，所有的数码管都收到了信号，此时，将需要 显示的数码管的选通控制打开，该位元就会显出字形，没有选通的数码管则不会 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第四章 系统电路设计 21 亮。以此类推，就可以使每个数码管显示出要显示的字符。虽然每个字符不是在 同一时刻显示，由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管的余辉效应，只要每个数 码管显示的间隔有足够短，人看起来感觉就像是同时显示的一样。动态显示得优 点是，较节省 I/O 口，硬件比静态显示更简单。缺点是，显示位数较多时，CPU 逐次扫描需要用较多的时间，而且亮度不如静态显示。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）系统仿真及调试 22 第五章 系统仿真及调试 5.1 软件仿真调试 图 5.1 BUCK 电路仿真图 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第五章 系统仿真及调试 23 图 5.2 BUCK 电路仿真驱动波形图 图 5.3 BUCK 电路仿真输出波形图 南昌大学共青学院毕业设计（论文）第五章 系统仿真及调试 24 图 5.4 单片机数码管显示按键仿真 根据原理图进行仿真图的绘制，运行仿真图，驱动波形和输出波形都正常， 输出电压在范围内可调，经仿真证实电路原理图符合设计要求。 5.2 实物调试 测试方法：将开关电源电路板放在地上，插上电源，查看数码管显示的输出 电压，用万用表测输出电压是否和数码管显示的电压相同。 测试结果：随着调试，电压从 0V 至 20V 递增数码管都正确的显示出实际的输 出电压。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）总结 25 总结 经过这段时间的毕业设计，从最初的资料查找、方案设计，经过最基本的元 器件购买，基本电路设计，再到软件设计，硬件的焊接，调试过程，测试，我学 习了单片机系统设计的整个过程。从整流滤波电路，到 BUCK 降压电路，再到 51 单片机对系统的控制，最好数码管的显示电路。通过该作品的设计制作，使我更 好的了解开关电源的各类拓扑结构，并熟悉了单片机的一些基本知识，程序中对 各种任务的合理安排，最终很好的完成了系统的设计，自己的动手和设计能力也 提高了不少，更好的熟悉的了解了一个单片机系统的开发过程。 测试结果表明，本系统实现了设计任务要求，基于单片机技术实现一款 20V 输出 DC-DC 型开关电源，并数码显示输出电压。 这次设计让我印象深刻，也让我受益匪浅，通过设计的不断更进，发现了自 己许多地方不懂，所以我一直在翻阅以前的数据需找资料，同时也在网络上查找 相关的知识，让自己具备更强大的理论基础，麻雀虽小五脏俱全，虽然这个设计 不是一个很大的项目，但是其中蕴含的知识点却十分丰富，在设计与制作的过程 中不但巩固了自己的专业知识，还学到了很多新的知识，对自己来说是很大的提 升。 南昌大学共青学院毕业设计（论文）参考文献 26 参考文献 1李龙文.开关电源技术的最新进展J.电源技术应用，2006，9（8）：53-57. 2赵军.开关电源技术发展J.船电技术，2005，(5)：13-16. 3张黎，丘水生.比例积分滑模控制 Buck 变换器分析与实现J.电力电子技术， 2005，39（2）：26-28. 4杜少武， 丁莉.ZVZCS PWM DC/DC 全桥变换器的简述和发展J.电源技术应 用，2007，10（4）：59-64. 5吴限，尹华，王斌.一种低压大电流 DC-DC 电源设计J.微电子学，2004，34 （2）：178-181. 6杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术M.北京：机械工业出版社.2004. 7 华亮， 沈申生， 胡香龄.Matlab/Simulink在单相交流调压电路仿真中的应用J. 电力学报，2005，20（4）：350-353. 8谢应孝.Buck 型 DC/DC 开关电源的研究与设计D.黑龙江： 黑龙江大学.2010. 9毛斌.降压型 DC/DC 开关电源的研究与设计D.湖北：襄樊学院.2011. 10王水平，于建国.DC/DC 变换器集成电路及应用M.西安电子科技大学出版 社，2005.13-35. 11Abraham IPressman开关电源设计(王志强译)M北京：电子工业出版 社，2005 12罗萍，熊富贵，李肇其.PWM 开关电源的大信号模型与瞬态特性J.电子学 报，2004. 南昌大学共青学院毕业设计（论文）致谢 27 致谢 首先，在这里我要感谢李老师，没有李老师耐心的指导，我很难完成这篇论 文，在他的帮助和以及自己的努力下，毕业设计总算告一段落。开始李老师经常 开小组会帮我们每个人讲解自己的题目该如何去完成，大体分几个步骤，需要注 意的一些地方，以及指点我们如何写好开题报告等。前前后后开了好几次会议， 包括帮我们挑出一些毛病和格式的问题。期间，一有事情，他也在群里及时的通 知我们。然后写论文期间也遇到很多的困难，去求助李老师，李老师都耐心的帮 助我解决。感谢导师对自己的帮助，没有您的指导，我很难很好的完成毕业设计。 真诚的谢谢李老师！ 同时还要感谢有帮助过自己的同学们，大家有困难相互帮助，一起共勉。最 后感谢南昌大学共青学院对我四年的教育和培养！ 南昌大学共青学院毕业设计 （论文）附录 A 28 附录 A 设计总电路图 南昌大学共青学院毕业设计 （论文）附录 B 29 附录 B 源程序 #include “intrins.h“ #include “config.h“ #include #define uchar unsigned char/重定义无符号 char 型 #define uint unsigned int /重定义无符号 int 型 #defineDisIo11 /显示电流 sbit LED1= P20;/数码管 1 位选 sbit LED2= P21;/数码管 2 位选 sbit LED3= P22;/数码管 3 位选 sbit LED4= P23;/数码管 4 位选 sbit Key1= P35;/按键 1 sbit Key2= P36;/按键 2 sbit Key3= P37;/按键 3 floatKp =0.0022;/* PID Kp 参数 */ floatKi=0.0012;/* PID Ki 参数 */ floatPIDOut =0.0;/* PID 输出值 */ intPIDek=0;/*PID 计算偏差 */ intPIDek1=0;/*PID 计算历史偏差 */ 南昌大学共青学院毕业设计 （论文）附录 B 30 uchar RefCount=0,TestCnt=1,CountCnt=0; uchar VoTurnFlag =0; /输出电压调节时间到 uint ms =0,DisplayTime =0; / uint OutEK=0 ,flag=0,TimeCount=0;/标志; float PWMVlaue=250.0; uintADVoltage=0,ADC_DATA=0,ADC_DATA1=0,ADC_DATA2=0,Current=0, SetVoltage=20000; /10000 毫伏; unsigned char KeyNum=0xff,KeyFlag=0 ,Count =0; uint VoTempData