基于单片机的智能稳压电源的设计.doc

基于单片机的智能稳压电源的设计学 生 姓 名： 指导教师： 合作指导教师： 专业名称： 所在学院： 2010年 6月35 目录摘要IAbstractII第一章 前言11.1研究的目的和意义11.2国内外研究状况11.3研究方法及内容1第二章 开关稳压电源的原理及实现方法22.1 开关电源的介绍22.2开关电源的分类22.3 开关式稳压电源的基本工作原理3第三章 硬件设计93.1 方案论证与设计93.2 整体设计框图及工作原理93.3 开关电源控制电路113.4 单片机控制电路17第四章 软件设计254.1主程序流程图254.2 键盘显示子程序254.3 A/D转换子程序27第五章 测试方法295.1测试方法295.2 测试仪器29第六章 结论与建议30致谢31附录1键盘扫描程序33附录2动态显示中断服务子程序35大连海洋大学本科毕业论文 摘要摘要 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备离不开可靠的电源，各种电子电器设备对稳压电源的性能要求日益增高，稳压电源的智能程度也变得越来越高。本设计介绍了基于AT89C52单片机的数字化控制的开关稳压电源，以高性能单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测和控制软件支持下，调整和控制开关电源的工作状态。数字化可调稳压电源，输入采用键盘方式，输出电压和限定电流采用数码管显示，稳定性好，精度高，成本低，其性能优于传统的可调直流稳压电源，大大改善了传统的稳压电源的性能，简单易用，非常适合一般的教学和科研使用。关键词:单片机，开关电源，稳压大连海洋大学本科毕业论文（设计） AbstractAbstractWith the rapid development of electronic technology, application of electronic systems becomes more and more widely, types of electronic equipment become much more .Electronic equipment has closer relationship with peoples work and life, and the electronic equipment can not do without reliable power, various electrical and electronic equipment has high performance on power supply requirements, power supply are becoming more and more intelligent. The design introduce digital control of switching power supply based on AT89C52 microcontroller, with the high performance single chip as the control core, make up data processing circuit. With the support of detection and control software, adjust and control the work state of switching power supply, digital control of switching power supply use the keyboard to input, output voltage and limited current use digital tube to display. It has reliable stability, high precision, low cost, its performance is better than traditional adjustable DC power supply，greatly improve the performance of the traditional regulated power supply. It is easy to use, in addition it is very suitable for general useful in teaching and research.Keyword: single-chip microcomputer, switching power supply, regulators大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 前言第一章 前言1.1 研究的目的和意义直流稳压电源是一种常见的电子仪器，应用于电子电路、教学实验等领域。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性差，操作使用起来不方便，自我的保护功能不够，因而发生故障的几率高。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化、高效率、低成本、高可靠性、低电磁干扰、模块化和智能化方向发展，以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了模拟电路的要求。 1.2国内外研究状况在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面， 电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。1.3研究方法及内容本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。数字化主要是指系统输出电压通过7段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。本设计介绍了基于单片机控制的开关稳压电源，以高性能单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测和控制软件支持下，调整和控制开关电源的工作状态。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 开关稳压电源的原理及实现方法第二章 开关稳压电源的原理及实现方法2.1 开关电源的介绍电是工业的动力，是人类生活的源泉，电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等，在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换成小功率等。开关电源是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关输出脉冲信号的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例,当开关管饱和导通时，集电极和发射极俩端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。开关型稳压电源直接从电网电压进行整流、滤波、调整。开关型电源不同于线性电源供应器，一个开关电源晶体管之间快速切换非常全面的和全关闭状态，最大限度地减少浪费能源。所以，电路功耗很小，效率可达到80%-90%,比普通线性稳压电源提高了近一倍，故开关电源被誉为高效节能型电源开关电源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。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，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，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阔的发展空间。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究1。2.2开关电源的分类现在的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 2.2.1 DC/DC变换 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： （1） Buck电路降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。 （2） Boost电路升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。 （3） Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。 （4） Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压Ui,极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200300）kHz，功率密度已达到27 W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。 2.2.2 AC/DC变换 AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。2.2.3 电路结构开关型稳压电源的结构有多种。1按激励方式分，自激式和他激式。2按DC/DC变换器的工作方式分，有单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式以及升降压式。3按控制方式分，有脉冲调宽式（PWM）、脉冲频率式(PFM)和PWM与PFM混合式。2.3 开关式稳压电源的基本工作原理 2.3.1开关电源的控制方式开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源2。图1调宽式开关稳压电源的基本原理 对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压。可由公式计算， 即Uo=UmT1/T 式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当Um 与T 不变时，直流平均电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。2.3.2开关式稳压电源的原理电路1、基本电路交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。开关式稳压电源的基本电路框图如图2所示。高频变换器调宽方波整流滤波脉宽调制比较器取样器振荡器基准电压DCAC整流滤波控制电路 图2开关电源基本电路框图2自激式开关稳压电源自激式开关稳压电源的典型电路如3所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。图3自激式开关电源当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1 很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic 开始减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压，使VT1 迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器的次级绕组向负载输出所需要的电压。 自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。3推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图4所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。图4 推挽式开关电源 这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500范围内。4降压式开关电源降压式开关电源的典型电路如图5所示。当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经VT1和L向充电，这一电流使电感中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。图5 降压式开关电源这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。5升压式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如图6所示。当开关管 VT1 导通时，电感储存能量。当开关管VT1 截止时，电感感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。图6 升压式开关电源6反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。图7反转式开关电源 当开关管 VT1 导通时，电感L 储存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容充电。7单端正激式开关电源单端正激式开关电源的典型电路如图8所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感储存能量；当开关管VT1截止时，电感通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。图8 单端正激四开关电源 在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50200的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。8.单端反激式开关电源单端反激式开关电源的典型电路如图9所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；当开关管VT1截止时，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容C滤波后向负载输出，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。图9单端反激式开关电源单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。在反激式变换器中，一般有两种工作模式：完全能量转换型（电感电流不连续）和不完全能量转换型（电感电流连续）。这两种工作方式的小信号传递函数是极不相同的，动态分析时要作不同处理。当变换器输入电压在一个较大范围内发生变化，或负载在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式。因此反激式变换器常要求能在完全和不完全能量转换方式下稳定工作。单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20200kHz之间。由于电路简单，且能高效提供直流输出，对多路输出特别有效，不需要接输出滤波电感，使反激变换器成本降低，体积减小。因此广泛用于电力电子装置的内部电源。所以本设计采用单端反激式开关电源。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 硬件设计第三章 硬件设计3.1 方案论证与设计3.1.1系统整体方案论证 方案一：采用A/D电压放大器直接输出。电路简单，但是输出电压带负载能力不强，电源电压不稳定。方案二：此用PWM调制的开关电源输出，输出电压稳定，并且提供负载能力强，综上所述，采用方案二。3.1.2控制方法及实现方案手动输出电压调节采用电位器改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，使其满足题目要求，该方案电路结构简单，实现方便。键盘设定通过单片机改变模拟开关接通通道，选取取样回路的电阻节点位置，改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，实现键盘控制功能。3.1.3提高效率的方法及实现方案在DC-DC变换器中，主要消耗功率的元件有主回路的开关管、续流二极管、储能电感等部件。由UC3842设计的DC-DC升压电路直接用误差信号控制电感峰值电流，间接地控制PWM脉冲宽度，达到控制输出端电压的目的。本设计中提高效率的措施主要有：通过增加电感线径减小电感阻值；采用低内阻的高效率MOSFET作为主回路的开关元件；采用高速低正相压降的肖特基二极管降低其功耗。3.2 整体设计框图及工作原理3.2.1 整体设计框图直流稳压电源是一种常见的电子仪器，应用于电子电路、教学实验等领域。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化、高效率、低成本、高可靠性、低电磁干扰、模块化和智能化方向发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能型稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限定电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作方便，具有较高的使用价值3。硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、正负压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分原理框图如图1 所示。本设计的功能有：1.计算控制产生所需要的PWM 波形；2.通过比较预设电压值与测量所得的电压值调整PWM 波形直到满足要求； 3.控制系统AD/DA 芯片正常工作；4.基本键盘功能和LED 显示。本智能稳压电源以开关电源为基础电路,以高性能单片机为控制核心,组成数据处理电路,在检测与控制软件支持下,通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较,从而调整和控制开关电源的工作状态,同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小。整体设计框图如图10所示脉宽调制（PWM）整流滤波电压取样及调整光电隔离功率推动电路（MOSFET）开关变压器直流输出数码管键盘D/A转换单片机过流保护A/D转换图10 整体设计框图3.2.2 整体系统工作原理本研究设计的技术指标为：在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：（1）输出电压UO可调范围：30V36V；（2）最大输出电流IOmax：2A；（3）U2从15V变到21V时，电压调整率SU2%（IO=2A）；（4）IO从0变到2A时，负载调整率SI5%（U2=18V）；（5）输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（6）DC-DC变换器的效率h70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（7）具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A；（8）能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。本设计以单片机为核心,一边监测键盘一边显示当前输出电压值,并向模拟开关输出当前设定值。当键盘中控制输出电压的增减键被按下时,单片机就会对设定值进行相应的增减操作,并将修改之后的设定值送给模拟开关,更新输出电压为当前设定值。该智能型稳压电以开关电源为基础电路，以AT89C52单片机为控制核心,组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下，通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制开关电源的工作状态，同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小，其工作原理框图如图1所示。市电经整流、滤波变成直流电送入开关调整电路，开关调整电路在AT89C52的控制下输出稳定的直流电。用户可根据需要通过键盘给定稳压电源输出的电压值及最大输出电流值，AT89C52自动对电源输出电压和电流进行数据采样，并与用户给定数据进行比较，然后采用时间最优(B-B控制)与积分分离PID控制的双模控制算法控制开关调整电路，使电源输出电压符合给定值，AT89C52在调整电源输出电压的同时还要检测电路的工作温度和输出电流，倘若超过给定值，就启动保护电路。3.3 开关电源控制电路整个系统的开关电源电路可分为三部分：主电源回路，PWM控制及驱动部分和采样保护部分。主电源回路是整个系统的主要部分， 交流输入电压经一次不可控整流滤波电路平滑滤波后，将得到的直流电压送至DC-DC 电路。主电源回路主要可分为整流电路和DC-DC 变换两部分，后者决定了系统功能能否实现及效率的高低。本系统Boost 电路的电感选择及开关器件的选择与连接都至关重要， 决定整个系统的性能。DC-DC 变换的控制可采用PWM 调制专用芯片，如UC3842芯片内部集成了振荡器（外接电阻电容来决定频率）、误差比较器、调制器等，使整个系统控制简单、稳定性较好。系统过流保护选择用硬件监测的方式，当输出电流超过预设值后可由电路直接发中断给单片机， 继电器保护快速动作，可靠性强，实时性好。保护动作后，利用蜂鸣器和发光管实现过流报警。整个开关电源系统的硬件部分可分为三部分：主电源回路，PWM控制及驱动部分和采样保护部分。主电源回路是整个系统的主要部分， 交流输入电压经一次不可控整流滤波电路平滑滤波后，将得到的直流电压送至DC-DC 电路。主电源回路主要可分为整流电路和DC-DC 变换两部分，后者决定了系统功能能否实现及效率的高低。本系统Boost 电路的电感选择及开关器件的选择与连接都至关重要， 决定整个系统的性能。DC-DC 变换的控制可采用PWM 调制专用芯片，如UC3842 等芯片内部集成了振荡器（外接电阻电容来决定频率）、误差比较器、调制器等，使整个系统控制简单、稳定性较好。系统过流保护选择用硬件监测的方式，当输出电流超过预设值后可由电路直接发中断给单片机， 继电器保护快速动作，可靠性强，实时性好。保护动作后，利用蜂鸣器和发光管实现过流报警。经过一段时间后自动重合继电器，使电路恢复工作。通过键盘和LED 与用户交互，键盘可直接输入所要求的输出电压，也可步进输入，LED 实时显示系统状态及输入信息4。3.3.1 开关电源主电路图开关电源电路采用UC3842 集成电路，其特征是电路设计简单，性能稳定，控制型效率高，能够很好的稳定电压幅值，同时，通过改变脉冲宽度占空比固定开关的频率改善波形，具有良好的抑制输出电压纹波和噪声功能。主电路图如图11所示图11 开关电源主电路图3.3.2整流滤波初步稳压整流就是把交流电变成脉动的直流电的过程，整流的基本器件是二极管，利用二极管的单向导电性即可把交流电转换成脉动的直流电，桥式整流电路如图12所示。图12桥式整流电路在输入部分，整流桥VBR1和电容C1可以整流和滤波，还可以减少高频噪声。输出端的滤波电感也可以滤除高频干扰。滤波是为了降低输出电压的脉动分量，得到较为平滑的直流电源，常有的滤波电路有电容滤波、RC（LC）型的滤波形式。电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量，经过滤波后，输出电压的纹波减小，直流成分得到提高5。直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，电网供给的交流电压经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压，然后由整流电路变化成方向不变、大小随时间变化的脉动电压，再用滤波器滤去其交流分量，就可以得到比较平直的直流电压。3.3.3 PWM控制电路为了精确控制开关电路的电压输出，系统采用脉宽调制的控制方式调节开关管的工作状态。I/O接口把单片机的高频脉冲信号分频后变成适宜的开关脉冲信号，作为中断口的计数脉冲和门控信号，单片机把给定值与传感器采集的信号进行比较，产生误差信号，根据电压控制算法设置产生不同占空比(090%) 的方波信号，经过光电耦合器控制开关调整电路输出设定的电压。I/O 输出端与开关电路进行光电隔离，防止来自开关电源电路的干扰信号影响单片机系统的正常工作。脉宽调制产生电路通过UC3842 和外围电路实现。通过采样反馈电路改变开关占空比，来控制开关管的导通与关闭的脉宽，从而使输出电压稳定。PWM控制器采用 UC3842集成电路，UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制2080W小功率开关电源。由于器件设计巧妙，由主电源电压直接启动，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则6。PWM 电路控制功率推动电路，进而驱动开关变压器进行电压转换，转换后的电压经电压反馈电路矫正得到稳定的输出电压；电压取样电路将采集的电压信息送至单片机，从而显示当前电压值。采用PWM控制的优点是: 简化了硬件电路,降低了硬件成本; 在PWM 控制过程中, 单片机可实时检测ADC 端口上电流的大小, 并根据电流大小与设定值进行比较, 以决定PWM占空比的调整方向， 单片机利用ADC 的端口和PWM的寄存器可以任意设定电流的大小。UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，引脚图如图13：图13 UC3842引脚图本设计所做的开关型稳压电源是脉冲宽度调制型（PWM），采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达80%95%。而功耗小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从90V264V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。UC3842内部结构图如图14所示：图 14 UC3842内部结构图内部包括振荡器、误差放大器、电流比较器、PWM 锁存、5VDC基准电源、输出电路等。5VDC 基准电源：内部电源，经衰减得到2.5VDC作为误差比较器的比较基准。该电源还可以提供外部5VDC/50mA。荡器：产生方波振荡。RT 接在4、8（REF）脚之间，CT 接4、5（GND）之间。频率f=1.8/(CTRT)。最大500kHz。误差放大器：由UFB 端输入的反馈电压和2.5VDC 做比较，误差电压COMP 用于调节脉冲宽度。COMP 端引出接外部RC 网络，以改变增益和频率特性。输出电路：图腾柱输出结构，电路1A，驱动MOS 管及双极型晶体管。电流取样比较器：3 脚ISENSE 用于检测开关管电流，可以用电阻或电流互感器采样，当VISENSE1VDC 时，关闭输出脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保护电路。欠压锁定电路UVLO：开通阈值16VDC，关闭阈值10VDC。具有滞回特性。PWM 锁存电路：保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐脉冲控制。另外，UCC 与GND 之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。UC3842 芯片是Unitrode 公司推出的高性能电流型PWM 控制器。该芯片电路开关频率可调节，具有电流反馈和电压反馈双环控制的特点，电压调整率和负载调整率高。除具有输入端过压保护与输出端过流保护功能之外，还设有欠压锁定电路，因此，电路稳定可靠。基于UC3842 设计的反激式开关稳压电源电路，利用光耦和三端稳压器配合控制可大幅提高电源电压的瞬态响应速度和调整率。因此，很适合于在高精度稳压电源中使用。而且，该芯片具有外围电路简单，安装与调试方便，性能优良，价格低廉等优点。UC3842 内部主要包括：5 V 基准电压源、振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、PWM 锁存器、输入欠压锁定电路。具有8 脚封装的UC3842 芯片各引脚功能如下：脚1 为误差放大器输出，用于环路补偿；脚2 是误差放大器的反相输入，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出，起电压反馈作用；脚3为电流取样引脚，脉宽调制器使用此信息终止输出开关的导通，保护开关管不致过流损坏；脚4 用于定时，通过时间电阻RT连接至参考输出引脚8 以及时间电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，振荡频率为f = 1.8 （RT CT），工作频率可达500 kHz；脚5 是控制电路和电源的公共地；脚6 是输出驱动开关管的方波引脚，为图腾柱式输出，可直接驱动功率管MOSFET 的栅极；脚7 是控制集成电路的正电源（Vcc）；脚8 是参考输出引脚，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流。UC3842 还包括过压、欠压保护电路，当供电电源电压低于10V 时，芯片停止工作。3.3.4 开关电路核心电路图15 开关电路核心电路在主回路的器件选择中主要是电感和电容，其中电感的选择方法计算如下：各参数定义：Ioff：场效应管关闭时流经电感的电流Ion：场效应管导通时流经电感的电流Vin：经整流滤波后输出电压Vo：输出电压VL：电感两端电压T： 开关周期Ton：一个周期内开关导通时间Toff：一个周期内开关关闭时间D：占空因数流经电感的电流表达式：i(t)=i(0)+VL/LdtMOSFET导通时流经电感的电流：iL=Ioff+VL/Ldt=Ioff+VL*t/LMOSFET关闭时流经电感的电流：iL=Ion-(Vo-Vin)/Ldt=Ion-(Vo-Vin)*t/L，则：Ion=Ioff+Vin*Ton/L(1)Ioff=Ion-(Vo-Vin)*Toff/L(2)由(1)(2)两式可得：Vo=Vin*T/(T-Ton)=Vin*1/(1-D)上式即为开关电路的输出电压与输入电压的关系。在导通期间电路消耗的能量为：Eon=P(t)dt=i(t)Vindt=(Ioff+Vin*t/L)Vindt= Pout*T，得:Ioff=(Pont*T-Vin2Ton2/2L)/Vin*Ton在开关电路的导通和关闭时期，电感的电流应是连续的，需满足：Ioff=0则：L=Vin2Ton2/2PoutT=Vin2D2/2Poutf当D=1/2时，Vo=2Vin,上式右边取最大值，此时：L=Vo2/32Poutf输入电压Vin的范围是15V到21V,输出电压Vo的范围是30V到36V。由于经整流滤波后电压会有所提高，一般满足：Vinmin=15*1.2V=18VVinmax=21*1.414-1.5=28VVomin=30VVomax=36V于是：Dmin=1-Vin/Vo=1-28/30=0.067Dmax=1-Vin/Vo=1-18/38=0.5，可知占空比要达到50%。若取f=100kHz,Iomin=0.1A，则可计算出Lmin的取值可为0.1mH通过调节滑动变阻器改变占空比，实现输出电压的调节.为满足输出电压在3036V可调，则R5、Rw、R6满足如下方程组VOMAX=VREF1+(R6+RW)/(R5+R6+RW)VOMIN=VREF1+R6/(R5+R6+RW)经计算可得R5=27K,Rw=5K,R6=2K3.3.5 正负电源供电电路图16正负电源供电电路是由正输出三端稳压器和负输出三端稳压器共同组成的正、负对称双路输出稳压电路，变压器采用副边绕组有中心抽头的变压器。图中的D1和D2是用来保护稳压器的，当输出端有如图所示的负载时（直接接在+U0与-U0之间，其中分布电容C0是一种无形的电容），如果某稳压器的输入端开路，例如图中的A点断开，这时7905无输出，+U0通过R1加到7905的输出端，可能造成7905的损坏。但该电路设置了D101，其导通管压降仅为0.7V左右，使加在7905的最大电压不超过0.7V，达到保护7905的目的，7805的保护作用同理7。图17是供电给恒流源的，它最大的输出电流要求达到2000mA，所以必须采用独立的能提供大电流的电源电路。图16正、负对称双路输出稳压电路图17供大电流的电源电路3.4 单片机控制电路单片机系统是开关电源的核心。它通过软件的运行来控制整个仪器的工作,从而完成设定的功能。单片机系统以AT89C52 为CPU ,它是由美国AT2MEL 公司生产的低电压、高性能8 位CMOS 单片机,片内含8 K 字节的FLASH 或PEROM 和256字节的RAM ,器件采用A TMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS - 51 指令系统及8052 产品引脚兼容。A T89C52 接收来自键盘的信息,并对输入的信息进行处理,从而确定原工作状态及输出电压的大小。开关电源的键盘和显示部分安装在操作面板上,由16 个按键和LED显示模块组成。其中LED 模块选用发光二极管组成的数码管 ,它可显示电源输出的电压值和工作状态。3.4.1 AT89C52主控电路系统硬件以微控制器（MCU）为核心，包括键盘电路、LED数码管显示电路、步进电机驱动电路、声光报警电路、串行口通信电路等。本系统的设计以单片机AT89C52为核心。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。此外，AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89C52的引脚图如图18所示:图18 AT89C52引脚图主要性能参数： 与MCS51产品指令和引脚完全兼容 8K字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz24Hz 三级加密程序存储器 2568字节内部RAM 32个可编程I/O口线 3个16位定时/计数器 8个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能单片机AT89C52是系统的控制核心，主要是通过控制数摸转换来实现对稳压电源的调节，并且控制显示电路，电路如图19所示.主控电路中包括AT89C52工作的基本电路：复位电路和晶振电路，还有键盘输入电路和数码管显示电路。本智能稳压电源以开关电源为基础电路,以高性能单片机为控制核心,组成数据处理电路,在检测与控制软件支持下,通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较,从而调整和控制开关电源的工作状态,同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小。图 19 AT89C52主控电路图为了使智能型稳压电源能可靠、安全地工作，系统设置了多重监测和保护系统，主要包括过热保护、过流保护和短路保护，其中过热保护采用