毕业设计（论文）-基于单片机控制的开关电源的设计.doc

哈尔滨剑桥学院毕 业 设 计 论文题目： 基于单片机控制的开关电源的设计 学 生： 指导教师： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 12级电气2班 2016年5月哈尔滨剑桥学院毕 业 设 计（论 文）审 阅 评 语指导教师评语 建议成绩： 是否同意答辩：同意答辩 不同意答辩 指导教师（签名） 职 称 年 月 日 评阅人评语 建议成绩： 是否同意答辩：同意答辩 不同意答辩 评阅教师（签名） 职 称 年 月 日 哈尔滨剑桥学院毕业设计（论文）答辩评语及成绩答辩评语 答 辩 成 绩: 答辩小组组长签字： 年 月 日毕业论文成绩指导教师成绩： 评阅成绩： 答辩成绩： 综合指导教师成绩、评阅成绩、答辩成绩，经答辩委员会评定，该学生毕业论文总成绩： 答辩委员会主任单位： 答辩委员会主任签字： 职称： 年 月 日基于单片机控制的开关电源的设计摘 要电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术，随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠的电源起着关键作用。本文设计主要目的是实现一个单片机控制开关电源，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，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12v到0v的可调节电压，并显示实时预置值与电压。 关键词：财开关电源；半导体；PID算法；闭环控制；数控I目 录摘要I1 绪论11.1 课题环境背景21.1.1绿色节能型开关电源21.1.2 智能化数字电源21.1.3 可编程开关电源21.2 电源技术的发展与方向21.2.1 线性电源和开关电源21.2.2 电源技术的发展方向31.2.3 开关电源的市场前景和研究现状31.3 本文研究主要内容42 系统方案设计52.1 开关电源工作原理52.2 开关电源与线性电源的比较52.2.1 线性电源的缺点52.2.2 开关电源的优点52.3 系统方案论证62.3.1 方案162.3.2 方案262.3.3 方案372.3.4 方案分析72.3.5 总体结构设计72.4 系统难点分析82.4.1 如何提高电源工作频率82.4.2 储能电感的绕制92.4.3 标度转换技术102.5 开关变换器结构分析与选择102.5.1 降压变换电路分析112.5.2 升压型变换电路122.5.3 Buck-Boost型变换器122.6 开关电路器件参数选择132.6.1 功率开关管的选择132.6.2 滤波电容的选择132.6.3储能电感的选择142.6.4续流二极管的选择143 硬件电路设计153.1 电源电路设计153.1.1 整流滤波电路153.1.2 开关变换电路153.1.3 保护电路163.2 控制电路设计173.2.1 反馈电路设计183.2.2 显示电路设计183.2.3 单片机与键盘接口电路设计194 软件设计214.1 总体编程思想214.1.1 键盘防抖动子程序224.1.2 显示子程序234.1.3 采样子程序244.1.4 中断处理程序设计254.1.5 PID控制算法265 系统调试275.1 硬件模块调试275.1.1 整流滤波电路的调试275.1.2 AD转换的调试275.1.3 脉冲输出电路的调试275.1.4 功率开关管的调试275.2 电源性能指标的测试275.2.1 电源的技术指标285.2.2 输出电压的测试295.2.3 最大输出电流的测试295.2.4 过流保护的测试305.2.5 电压调整率的测试305.2.6 纹波电压的测试30结论31致谢32参考文献33附录34哈尔滨剑桥学院毕业论文基于单片机控制的开关电源的设计1 绪论 1.1 课题环境背景电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术，随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠的电源起着关键作用。开关电源与线性电源相比，二者的成本都随输出功率的增加而增长，但二者增长速率不同。线性电源成本在某一输出功率点上，相反高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，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。开关电源推动了高新技术产品的请便化、小型化。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1。1.1.1 节能绿色型的开关电源最早的开关电源技术还不够成熟，待机功耗大并且效率低。怎样降低开关电源的功耗和提高开关电源效率是世界能源待解决的问题。但是单片机的出现，可以设计出一个绿色又可以节能的开关电源。1.1.2 智能化数字电源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。1.1.3 可编程开关电源可调式开关电源都不仅调节精度低，而且使用不够方便，因为它是手动调节电阻值来改变稳压器输出电压的。数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控电阻器（Digitally Controlled Potentiometer），可简称为DCP。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2。1.2 电源技术发展和方向1.2.1 开关电源与线性电源线性稳定电源，它的特点是:功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间电压降稳定输出，可靠性高，易做成多路，稳定性高，纹波小、输出连续可调的成品。线性电源主要问题是：效率低、精度低、散热问题大和难以在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷是在重量以及体积上。使用输入调整器可使输出精度更加准确，但是更增加功率的消耗，并且导致效率更低。线性电源功率达到50%的效率就不容易了，这些浪费掉的功率还带来了散热的问题。开关电源是开关型直流稳压电源，电路形式有全桥式、推挽式、单端正激式、单端反激式和半桥式。开关电源与线性电源的区别在于开关电源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与区截止区，工作在开关状态，得名与开关电源。开关电源它的优点是稳定性高，重量轻，体积小。1.2.2 电源技术发展的方向尖电源技术对提高一个国家劳动生产率和提高一个国家单位能耗的产出水平，有着非常大的作用。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义3。 开关电源发展的方向是抗干扰、低耗、模块化、高频、高可靠和低噪声。由于开关电源薄、轻、小的技术是高频化，并且在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大研究，来提高在较大磁通密度与高频率下能获得高的磁性能，但是电容器的小型化也是一项关键技术研究。SMT技术的应用使开关电源取得了巨大的进展，在电路板两边布置元器件，可以确保开关电源的小、轻、薄。模块化可以说是开关电源发展总体的趋势，利用模块化电源组成分布式电源系统，可以组成N+1冗余电源系统，并且可以实现并联方式容量扩展。对于开关电源运行噪声大的缺点，用部分谐振转换电路技术，在理论上可实现高频化又可以降低噪声，但部分谐振转换技术实际操作上会有很多技术问题，所以仍需在这一领域开展研究，使多项技术得以实用化 1.2.3 开关电源市场的研究状况与前景线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,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。要达到高精度直流电压,就必须经过稳压电路进行稳压。用于电镀、充电设备、电解、科研、大学院校、工矿、实验室等。开关电源(Switching power supply)是利用现代电子电力技术,控制开关管关断时间和开通的比率,支持稳定输出电压的一种电源,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4。开关电源是电子电力电源主要产品，由于其功率密度/转换效率高、输入电压范围广、输入电压范围广、热消耗较少、重量轻和小型化等优点，得益于电子产品的轻、小的需求，发展迅速，取代了线性电源普及于各种电子电力的产品领域。开关电源应用领域统计，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%5。1.3 本文研究主要内容（1）设计、制作开关电源；（2）利用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘的预置输入电压数值，可以显示预置电压与输出电压；（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，核心是一个直流变换器。利用直流变换器就可以使一种直流电压变成数值不同、极性的各种直流电压。 如图2.1所示，电路的工作原理为：假设基准电压为10v，因为电网波动导致输入电压减小，所以输出电压也会减少，那么，所采样电压将减小，假设为9.9v，误差为0.1v，经比较放大后，脉冲调制电路根据误差，提高占空比使输出电压增大。图21开关电源原理框图按电路中功率管的工作方式分类，电源可分为线性电源与开关电源。线性电源是较早的一种电源，它的功率管工作在线性放大区5。2.2 线性电源和开关电源的比较2.2.1 线性电源的缺点（1）必须要有较大的滤波电容；（2）体积大、不能小型化，重量也大；（3）效率低，功耗大，效率一般只有35%-45%。缺点的原因是：（1）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，所以必须增大滤波电容容量。（2）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。功率晶体管本身的输出电流和功耗成正比。2.2.2 开关电源优点（1） 功耗小，效率高。图2.1中，开关管V在脉冲信号控制下，工作在截止-导通与导通-截止交替的开关状态下，转换速度很快快，频率在50200千赫兹。（2） 体积小，重量轻。（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。（4） 滤波效率提高，并使滤波电容体积于容量减小。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，图22 开关电源的一般框图2.3.1 方案1主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图2.2所示）图23 非隔离式DC-DC结构2.3.2 方案2主回路用隔离推挽式拓扑结构（如图2.3所示），输出和输入电气不相连，通过关开变压器磁偶合方式传递能量，最适合实验室使用。本设计用方案二。图24 隔离式DC-DC结构2.3.3 方案3方案3：单片机扩展D/A转换器，不间断的检测输出电压，并且根据电源输出的电压和键盘预置电压差值，输出了一个PWM脉冲，直接控制电源工作。2.3.4 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，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作。方案2分析：采用脉冲宽度调制PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，。基于考滤题目的要求，本次设计用PWM调节方式。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，设计中的任务要求输出可调。2.3.5 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。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电压，是通过ADC0809传送进单片机里进行处理的，单片机可以根据处理的结果输出更新控制信号，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。在系统中，用户根据需要从键盘输入电压，单片机就会根据键盘输入和采样电压差值，更新脉宽，来对输出电压进行稳定控制。 当闭环时，电源就会自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置电压变化时，它先将键盘输入的值与从输出端取样的值相对比，比如当前键盘输入为100v，从输出端取样的值为60v，差值为40v，则系统会根据差值，跟新脉宽。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长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压6。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25 单片机控制开关电源系统框图2.4 系统难点分析2.4.1 如何提高电源的工作频率困难分析：现如今开关电源工作频率已经可以达到200千赫兹以上，所以本次设计虽然采用了24M赫兹晶振频率，但开关电源要求的是单片机的处理速度要快，51系列单片机，虽然使用24M的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，但是它的速度仍然比较慢，并且单片机还要做扫面键盘，采样电压，PID控制等很多工作，那么单片机更加慢，虽然可以忽略这方面影响，单片机可通过定时器中断产生40千赫兹频率，但定时器中断产生的脉冲有效电平，即占空比是不可以改变的，只可以是50%，所以要设计输出可调的开关电源，显然行不通。解决办法：现在的问题是在于单片机输出的脉冲硬件更改，占空比不可以更改，只可以替换速度高单片机，但是成本又增加了，所以在选择在软件上解决问题，分为：第一要定义两个变量，一个占空比D，一个中期T，给它们赋于值，T要大于D，先让单片机I/O输出高电平，让D，T同时开始计数，当D计算到预计值时，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T，D的值可以改变脉冲频率，改变D值可以控制占空比。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P1.0=1;/P1.0输出高电平D+;/同时计数 T+; If（D=100）P1.0=0；/D到预计值时，输出的是低电平 If （T=1000）P1.0=1；/T到预计值时，输出的是高电平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。2.4.2 储能电感的绕制我们用储能电感目的，是在功率开关管截止的时候，可以为负载存储能量，电气上的作用是可以把开关方波脉冲积分成直流电压。需是自己绕制，需要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为电感电流有效值，是导线电流密度，是绕组填充的因数，（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V1，并且根据有关算法控制变量u1，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调节规律通过数值公式，即： 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。，u1为控制量的增量，r1为设定值。转换公式是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44 单片机闭环控制系统框图5 系统调试5.1 硬件模块调试 5.1.1 整流滤波电路的调节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。5.1.2 AD转换的调试用稳压电源向转换器提供一个5v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。5.1.3 脉冲输出电路的调节调节脉冲直接输入到开关管的基极的，我们在制板之前，用面包板模拟脉冲信号实验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。5.1.4 功率开关管的调试将做好的电路板放置好，防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5.2 电源的性能指标测试电源开关的技术指标通用事项、包括适用规格与电源名称。电源开关安全规范标准，是由电源用途不同，指标优先考虑重点的同，但必须首先应考虑电源安全性。当前，很多国家都有相应开关电源安全规范，常用的国际安全规范为IEC65、IEC950 。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）输入电源频率、相数：根据输出的功率不同，可以用三相电源供电或单相。若在输出功率高于5kW可以用三相电源供电，来使三相负载均衡。我国电源频率为50Hz。 （2）容许电压波动、额定输入电压范围：我国电源额定相电压为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）我国最大输入电流：指在容许的下限输入电压和额定输出功率时的输入电流。 （5）我国输入功率因数：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。 5.2.1 电源的技术指标（1）输入技术指标开关电源输入技术指标包含额定输入电压及电压的变化范围、频率、输入电源相数、输入电流一般为3相3线制与单相2线制，以及3相4线制和单相3线制等。输入电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%。（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。稳压精度是电压调整率或输出电压精度，输出电压变化原因非常多。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9。（3）附属功能过电流保护电流保护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；多数为下垂特；恒定功率特性，性恒流特性。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。特性指标范围：出电压、输出电压、输出电流、最大输出电流调节范围；质量指标的服务包含纹输出电压调整率和波电压。5.2.2 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10，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。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。步骤：第一调节交流调压器，将输入电源电路交流输入电压设为220v，在电源电路的输出端，先出合适负载电阻RL阻值来使电源输出电流是规定值，第二步，取输出电流为最大输出电流的1/2，为1A，则取RL电阻值为12欧姆，观察电流表读数达到达1A后，用万用表测输出电压，测得输出电压为11.96v，在120.5这个范围内，用键盘改变预置电压，让输出电压输出值为最小值3v，这时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35%的误差范围内，则所测量的输出电压范围为3.1v11.96v。其中， Vi为电网输入电压，Vs为电路输入电压11。整流滤波整流滤波ViVs电流表负载电压表 图51 输出电压或者输出电压调节范围的测试电路5.2.3 最大输出电流测试测试电路仍然按照图5.1连接，测试步骤如下：调节交流调压器，使电源电路输入电压为Vmin=220x(1-10%)=198v,通过键盘预置最小电压让输出电压为最小值，负载电阻为1.5欧姆，输出电流为最大值2A，测出电压为3.2v，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，测出输出电压没有改变，为3.3v，可最大电流为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12。5.2.4 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