电子信息工程毕业设计-基于单片机控制的开关电源的设计.doc

广西科技大学广西科技大学 毕业设计 论文 说明书毕业设计 论文 说明书 课题名称课题名称 基于单片机控制的开关电源的设计 系 别 职业技术教育学院 专 业 电子信息工程 班 级 电子 Z091 学 号 200802203044 姓 名 石瑜琦 指导教师 刘胜永 2013 年 5 月 10 日 广西工学院毕业设计专用纸 I 摘摘 要要 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 广西工学院毕业设计专用纸 II 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 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 efficiency 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 convenient 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 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 Key word switch power semiconductor PID algorithm closed loop control CNC 广西工学院毕业设计专用纸 目目 录录 绪论 1 1 概述 2 1 1 课题研究环境背景 2 1 1 1 绿色节能型开关电源 2 1 1 2 智能化数字电源 2 1 1 3 可编程开关电源 3 1 2 开关电源技术的发展和环境现状 3 1 2 1 线性电源和开关电源 3 1 2 2 电源技术的发展方向 4 1 2 3 开关电源的市场前景和研究现状 4 1 3 本文研究的主要内容 5 2 系统方案设计 6 2 1 开关电源工作原理 6 2 2 开关电源与线性电源的比较 6 2 2 1 线性电源的缺点 6 2 2 2 开关电源的优点 7 2 3 系统方案论证 7 2 3 1 方案 1 8 2 3 2 方案 2 8 2 3 3 方案 3 8 2 3 4 方案分析 8 2 3 5 总体结构设计 9 2 4 系统难点分析 10 2 4 1 如何提高电源工作频率 10 2 4 2 储能电感的绕制 11 2 4 3 标度转换技术 11 2 5 开关变换器结构分析与选择 12 2 5 1 降压变换电路分析 12 2 5 2 升压型变换电路 14 2 5 3Buck Boost 型变换器 15 2 6 开关电路器件参数选择 15 2 6 1 功率开关管的选择 15 2 6 2 滤波电容的选择 16 2 6 3 储能电感的选择 16 广西工学院毕业设计专用纸 2 6 4 续流二极管的选择 17 3 硬件电路设计 18 3 1 电源主电路设计 18 3 1 1 整流滤波电路 18 3 1 2 开关变换电路 18 3 1 3 保护电路 19 3 2 控制电路设计 20 3 2 1 反馈电路设计 21 3 2 2 显示电路设计 21 3 2 3 单片机与键盘接口电路设计 22 4 软件设计 24 4 1 总体编程思想 24 4 2 键盘防抖动子程序 24 4 3 显示子程序 25 4 4 采样子程序 26 4 5 中断处理程序设计 27 4 6 PID 控制算法 28 5 系统调试 30 5 1 硬件模块调试 30 5 1 1 整流滤波电路的调试 30 5 1 2 AD 转换的调试 30 5 1 3 脉冲输出电路的调试 30 5 1 4 功率开关管的调试 30 5 2 电源性能指标的测试 31 5 2 1 开关电源的技术指标 31 5 2 2 输出电压的测试 32 5 2 3 最大输出电流的测试 33 5 2 4 过流保护的测试 33 5 2 5 电压调整率的测试 34 5 2 6 纹波电压的测试 34 6 结论 35 致谢 36 参考文献 37 附录 子程序和电路图 38 广西工学院毕业设计专用纸 1 绪论绪论 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 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 广西工学院毕业设计专用纸 2 1 1 概述概述 1 11 1 课题环境背景课题环境背景 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 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 1 1 11 1 1 绿色节能型开关电源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 1 1 21 1 2 智能化数字电源智能化数字电源 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 正引起人们的关注 它是以数字信号 广西工学院毕业设计专用纸 3 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 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 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 21 2 电源技术的发展与方向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 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 85V 265VAC 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 广西工学院毕业设计专用纸 4 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 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 1 2 2 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 1 2 3 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 广西工学院毕业设计专用纸 5 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 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 2010 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 31 3 本文研究主要内容本文研究主要内容 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 广西工学院毕业设计专用纸 6 2 2 系统方案设计系统方案设计 2 12 1 开关电源工作原理开关电源工作原理 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 输入 整流 滤波 电路 开关管 89C52 滤波电路 ADC0804 采样电路 输出 图 2 1 开关电源原理框图 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 22 2 开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较 2 2 1 线性电源的缺点 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 广西工学院毕业设计专用纸 7 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 2 2 2 开关电源的优点 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 32 3 系统方案论证系统方案论证 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 广西工学院毕业设计专用纸 8 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 只能获得低于输入电压的输 出电压 且输出电压与输入电压不隔离 容易引起触电事故 Vin PWM Vout 图 2 2 非隔离式 DC DC 结构 2 3 2 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 Vout 图 2 3 隔离式 DC DC 结构 2 3 3 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 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 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 广西工学院毕业设计专用纸 9 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 输出便可以输出不同的电压 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 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 V0 Vs 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 V0 Vs 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 广西工学院毕业设计专用纸 10 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 2 42 4 系统难点分析系统难点分析 2 4 1 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 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 广西工学院毕业设计专用纸 11 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 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 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 2 4 2 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 min4 1 max min Iout TonVoutVin L Ton 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 Aw NBm L Ae Im Kcj NI Aw 为j 导线的电流密度 为绕组填充因数 0 8 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 0122 01 0 yyykdyykpyrkiu 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kdkikp 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 广西工学院毕业设计专用纸 29 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 广西工学院毕业设计专用纸 30 5 5 系统调试系统调试 5 15 1 硬件模块调试硬件模块调试 5 1 1 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 再次测得整流输出电压为 14 9v 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 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 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 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 广西工学院毕业设计专用纸 31 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 2 1 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 广西工学院毕业设计专用纸 32 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 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 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 广西工学院毕业设计专用纸 33 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 35 的误差范围内 则所测量的输出电压范围为 3 1v 11 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 Vi Vs 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 5 2 3 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 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 广西工学院毕业设计专用纸 34 5 2 5 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VoVoSd VoVo 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 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1Vo 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2Vo 11 9v 根据电压调整率的计算公式得Vo 26 2 100 9 11 56 1183 11 100 21 Vo VoVo Sd 5 2 6 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 峰峰值可用示波器测量 由于 纹波电压不是正弦波 毫伏表测量出来的测量值不是纹波电压的有效值 所以这里用 示波器观察纹波电压的峰峰值 测得的纹波电压峰峰值约为 65mv 符合任务要求 如 果需要更小的纹波电压 则可通过加大滤波电容 获得更小的输出电压脉动 测试结果 输出电压范围为 3 1v 11 96v 最大输出电流为 2A 电压调整率 2 26 纹波电压峰峰值 65mv 广西工学院毕业设计专用纸 35 6 6 结论结论 设计以功能需求为指导 以技术理论为支持 结合实际需求设计实现了开关电源 系统具有多路输出 5V 输出 12V 输出 12V 输出 0 15V 可调输出 系统具有 硬件过流保护 当出现短路情况时系统自动限制输出电流为 5A 以因免软件的延迟而 造成严重的后果 本文验证了利用单片机可以实现对开关电源的智能控制 实现智能化开关电源的制 作 通过键盘预置电压 控制单片机进行脉宽调制 使输出电压在大范围内可调 应 用这个结论 采用工作频率更高 位数更高的单片机可以制作性能更加优越 工作频 率更高的 智能化程度更高的开关电源 如果采用片内带模数转换器的单片机 可以 大大简化电源结构 还可以通过单片机软件控制 实现电源的智能保护 可以设定某 个规定的电压或者电流 当超过该电压或者电流时 单片机关断开关管 电源不再工 作 以便保护电源 而且单片机还可以扩展许多的功能 由于个人能力及时间的关系 本设计难免会有不足之处 广西工学院毕业设计专用纸 36 致谢致谢 历时三个多月的毕业论文即将完成 也就意味着大学接近尾声 这几年来 内心 思想改变了许多 逐渐的树立了自己的世界观 人生观 价值观 在此 我要感谢学 院领导和各位老师的谆谆教导 在这里 我谨向指导我的刘老师致以真诚的谢意 感谢他对我的帮助 他谦和的为 人 严谨的治学态度 一丝不苟的学风 深厚的理论修养和对工作认真负责的态度给 我深刻印象 并受益匪浅 也感到深深的钦佩 定题