基于STC系列单片机的串联型开关电源设计与实现【实用文档】doc

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基于STC系列单片机的串联型开关电源设计与实现【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载单片机及模数综合系统设计课题名称：基于ＳTC１2系列单片机的串联型开关电源设计与实现—－单片机控制部分一、实验目的：本模拟电路课程设计要求制作开关电源的模拟电路部分,在掌握原理的基础上将其与单片机相结合，完成开关电源的设计。本报告旨在详述开关电源的原理分析、计算、仿真波形、相关控制方法以及程序展示.二、总体设计思路本设计由开关电源的主电路和控制电路两部分组成,主电路主要处理电能,控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PＷＭ控制方式,通过给定量与反馈量的比较得到偏差，通过调节器控制ＰＷM输出，从而控制开关电源的输出。当键盘输入预置电压后，单片机通过PＷM输出一个固定频率的脉冲信号，作用于串联开关电源的二极管和三极管，使三极管以一定的频率导通与断开,然后输出进行AD转化，转化后的结果再给单片机进行输出,进行数码管显示.系统的基本框图及控制部分如下:控制过程原理分析:单片机所采用的芯片为STC12C５Ａ６0S２,该芯片在拥有８０51内核的基础上加入了10为AD和PＷＭ发生器。通过程序，即可控制单片机产生一定占空比的PWM脉冲，将此脉冲输入到模拟电路部分,在模拟电路的输出端即可产生一定的输出电压,可比较容易的通过程序来实现对输出电压的控制。但上述的开环控制是无法达到精确的调节电压，因此需要采用闭环控制来精确调制。即，对输出电压进行AD采样，将其输入回单片机中进行数据处理。单片机根据处理的结果来对输出电压做出修正,经过这样的逐步调节即可达到闭环的精密输出。由此原理,可以将整个过程分成一下模块:PＷＭ波形输出模块，模拟电路模块，AＤ转换模块，数码管显示模块，键盘输入模块。控制过程基本思路为：首先从键盘输入一个电压值，并把该电压值在数码管上面显示出来，再由A／D转换模块对串联开关电源电路的输出端进行电压采集，将采集到的电压值与键盘输入的电压值进行比较,通过闭环算法，控制ＰWM的脉宽输出，由此控制串联开关电压电源电路，改变输出的电压值，使得输出值与设定的电压值相等。系统各单元模块电路设计键盘输入数据部分分别接到单片机的P2.4，P２．5,Ｐ２.6，P2．7。每路通过电阻进行上拉,可以编程实现控制单片机运行不同程序。为了判断键盘上面的按键是否有按下的，可以事先对P２.4，P2。5，Ｐ2。6,Ｐ２。７端口赋值，便可以知道具体是哪个按键被按下了。例如：P2。4=0，便可知道P２.４对应的按键已经按下了。键盘输入模块程序如下：voidｋey（）/／键盘扫描函数｛if(P２_６＝=0）{ｄeｌay（１0）；//延时去抖动ｉf（P２＿6==０）｛wｈile（Ｐ2＿６==0）iｆ（a＜9）｛ａ＋+；}elｓeａ＝0；｝}if（P2_5=＝０){deｌaｙ（10）；//延时去抖动if(P2＿５=＝0）{while(Ｐ2_5＝=０);if(b<9）｛b++;}elsｅ（b=0)；}iｆ（P２＿4=＝0)｛dｅlａy(10）；//延时去抖动if(P２_４==0）｛wｈile（P２_4==0）；if（c<5）{c＋+;｝eｌsec=0；}}if(P２_7=＝0)｛delay（１０)；if(P2_７＝＝0)｛whｉle(P2_7＝=0）；P1＿５=!Ｐ１_５;｝}｝2、数码管数据显示部分知道了上面在键盘输入的数值后,便要在数码管上面显示出来。该实验板的8位数码管是共阴极的数码管,使用端口为P0和P2．0—Ｐ2．4口,且为动态数码管，因此在同一时间，只有一个数码管是亮着，但由于人眼的视觉残留，使得看上去是全部一起亮着的.８位分别有段选和位选，段选就是要一个数码管显示的字型,而位选则是由低电平选中所要那一个数码管,该数码管才能亮.因此要使得数码管亮并显示数字，则必须在位选时该数码管的位选管脚出于低电平，然后再通过段选显示字型。如下图所示的数码管：数码管显示模块程序为：vｏidｄiｓplay(ｆｌoａtｘ）｛uinｔＭ,Ｎ,I；I=１０0＊ｘ／100;N=（１0０＊x-１０0＊I）/10；M＝１00＊x—10０＊I-１0＊N;P2_0=0；P０=ｔablｅ[０］;dｅlａy(１0）;P2_0=1;Ｐ2＿1=0；Ｐ0=ｇao＿table[Ｉ]；ｄeｌaｙ（１0)；P2_1＝1;P2_2=0；P0＝tａblｅ［N]；ｄｅlａｙ(10)；Ｐ2＿2=１;Ｐ2_3=０；Ｐ０=tabｌe[M];ｄｅlａy（１0);Ｐ2＿3=1；}３、控制PWM输出部分STＣ12C5A60S２系列单片机集成了两路可编程计数器阵列（PCＡ)模块，可用于软件定时器，外部脉冲的捕捉,高速输出以及脉宽调制(PＷM)输出.在该实验中主要用到PWM脉宽调制输出,通过对特殊功能寄存器初始化，就可以在P1.3（选择模式0时）或Ｐ1。４（选择模式1时）端口输出可调占空比的高速脉冲。ＰWM模块程序如下:voｉdPWM_Dｒv_Iniｔ（ｖoid){CCON=0;//初始化PＣＡ控制寄存器CＬ=０;／／初始化ＰＣA计数器CH＝0;ＣMOＤ=0x0８;CR=1；}voidPWM0_Drv_SetDuty（ｕnsｉgnｅｄｃhａrDutｙＶaluｅ）｛CCAP０H＝CCＡP０L=DｕtyValue;//设置看空比CＣAPＭ0=0x４2；CR=1;}PWM仿真图为：4、ＡD转换模块(完成万用表功能，即测量开关电源输出电压）STC１２Ｃ5Ａ60S2系列单片机自带有８路10位高速A/D转换器，在本实验中只用到其中的一路,故可以通过软件设计选择其中的一路用来测量电压。在不需作为A/D转换的端口可以继续作为I/O口使用。ＡD转换对特殊功能寄存器的初始化主要有ADC＿CONTR和A/D转换结果寄存器ＡDC＿REＳ(用来存放高八位）﹑ADＣ_RＥＳL（用来存放低两位）；在AＤＣ_CONＴR中包含有ADC电源控制位AＤＣ_POWＥR,模数转换器转换速度控制位ＳPEＥD1﹑SＰEＥD0,模数转换器转换结束标志位ADC＿FLAG，模数转换器(ＡDC)转换启动控制位ADC_SＴAＲT，模拟输入通道选择CHS1/CＨS2/CHS3。由于是2套时钟，在设置ＡＤC＿ＣONTＲ控制寄存器的语句执行之后，要经过４个CPU时钟的延时，其值才能够保证被这只进ADC＿ＣONＴR控制寄存器，所以设置ＡDＣ_ＣOＮＴＲ控制寄存器后，要加4个空操作延时才能正确读到AＤC_COＮTR寄存器的值.ADC的结构如下图所示：AＤ转化模块的程序为:voiｄＡDC_Dｒv＿Ｄeｍｏ(ｖoiｄ）{if(ADC_Ｆｉｎish_Flag＝=TＲUE）｛ＡDC_Ｆinｉsh_Flag=FALSE；ＡDC_Drｖ＿SｔarｔＣh(ADC＿cｈａnnel）；m=ADC_Ｒesuｌt［ＡＤC_chａnnｅｌ］＊５。0／1024;｝｝5、闭环控制算法这部分是整个实验中最重要的部分,该部分主要是通过A/D采集数据控制PWM输出，PWM控制开关电源输出，以达到稳定，即让开关电源输出电压稳定在键盘输入的电压值。针对前面的要求,则需要用单片机来完成所有的控制与计算。在该实验中,作为AD采集的端口为P1.７，PWＭ输出端口为P1。３，在采集完电压数据的时候把数据存放在ADC之中，而从键盘输入数值时,键盘上显示的是一个小数，但在单片机中存在中间变量ｔｅmｐ的是一个整数,为小数的100０倍,因此在引用数码管显示的数值时要将temp除以１00０才能得到实际的设置电压数值Ｖs；另一方面,采集回来的电压ADＣ要转换成实际的电压数值,则由下面的算法得出：真实值Vｒ＝ADV＊5。0/１０24.0在得到这两个数值之后对他们进行比较,要是Vr<Ｖs，说明采集回来的电压偏低，此时则要降低PWＭ输出脉冲的占空比；同理，当Vr〉Vｓ时,则要增大ＰWM输出脉冲的占空比，由此而使得串联开关电路的输出电压与事先所设置的电压值相同。实际测得的电压与设置的电压对比表格如下：Ｖs＜0．8０。8０。9１。01．11.21。3１。41.５１.61.7Ｖr—０.790．８90.９81.081.181.2８１。39１。491．5９1.７１.8１。92。０２。12．２2。32．42。5２.６2。72.８2。91。78１．88２。022。０８2。１72.２82．３82。5１2.582。6８2。７82．913.０3.1３。２３.33.43。53．６3。73.83.94.0>4．０2．983。123。193.２83．393。483.5９3。6８3。79３。9６３．9８-通过上面的表格可以看出来，虽然实际测出来的电压Vr和设置的电压Ｖs有一定的误差，但是总体还是在设置的电压附近波动，所能输出地电压范围为0.8v~4.０v。误差原因分析：(1）单片机电源不够稳定，在接入电脑后给单片机提供的电压小于5Ｖ（2）提供给ＡD转换的参考电压不够精确，使转化存在误差。心得体会通过这次实验让我知道理论需要联合实际，只有将自己所掌握的知识真正应用于实际才算真正的掌握了知识。在刚开始做的时候我对于单片机的知识理论只是有一些模糊的印象，不能真正掌握单片机的知识，比如用AD采样需要用单片机的哪些管脚,还有数码管需要用哪些管脚控制，并且哪些管脚控制段选,哪些控制位选。这些我都不太清楚,但通过请教才会用程序写出来。虽然这次实验做出来了，但是我还是有些知识无法真正掌握，比如定时器中断或定时，所以这次实验我只能用ｄelay延时来写.通过这次实验我还注意到细节决定一个程序是否能成功运行,比如我在写程序是应用了ｉf……else格式,可是因为在写的过程中括号没对齐，使程序没能成功运行，经过同学帮忙才成功运行.还有的细节就是关于键盘的防抖动问题。总体来说,我通过这次课程设计不单单学到了很多单片机和C5１编程的的知识，更多的是学会了学习的方法,能够将所学到的知识用到实验上面，可以把知识记得更清楚。这还更多地提高了在遇到实际问题时该怎样解决实际问题的能力.更深入地学习Ｃ语言,又可以更多地提高自己的逻辑，思考能力，使思维结构更严谨。希望在以后的学习之中可以更多地接触到这样的实验，那样就可以更好地提高自己的动手能力与对所学知识的运用能力本实验C程序源代码:/＊*＊＊*＊＊**＊*＊**＊*＊*＊*＊＊***＊＊＊*＊＊*＊*＊＊＊**＊*＊＊＊**＊**＊*****＊*＊＊＊*＊*＊＊＊*＊***＊＊＊＊＊＊＊／/*＊*文件名：开关稳压电源.ｃ＊＊***＊＊*＊*＊＊**＊*＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊**＊*＊*＊*＊*＊＊＊＊**＊********／/＊＊＊功能：设定电压初始值,使得输出电压值与数码管显示值相同***＊**＊＊＊*＊***＊＊**＊**/／*＊*单片机型号:STC1２Ｃ5Ａ60S２（带AD转换与PＷＭ脉宽调制输出功能)*＊＊***＊＊＊＊＊*＊＊／／＊*＊*＊**＊***＊＊****＊***＊＊＊＊**＊*＊＊****＊＊*＊*＊*＊＊＊*＊**＊＊***＊*＊＊＊*＊＊＊＊＊＊＊＊＊**＊＊*＊＊＊*//＊＊＊＊**＊****＊****＊＊*＊＊*＊*＊＊＊*＊＊＊*＊＊＊＊＊**＊*＊*＊*＊**＊＊＊＊**＊＊＊＊＊*****＊**＊*＊**＊＊＊＊*＊/#inclｕdｅ”stｃ12c5ａ6０s2。ｈ"＃inｃｌｕｄe〈ｉntrins。ｈ〉＃ｄｅfiｎｅuinｔunsｉgneｄint＃defineuchaｒuｎsignedchａr＃dｅfiｎeTRUE1＃defiｎｅFAＬＳE０ｖoｉｄｄelay（ｕintｚ）；/／延时函数声明ｖoiddisplａｙ(floaｔm）;／/显示函数声明voidkey()；//键盘扫描函数voidADC_Dｒv_InｉtＣh（unsigｎedｃｈａrＣhNo）；ｖｏiｄADC_Ｄrv_StaｒｔCｈ（unｓigｎedｃharＣhNo);vｏidＡDＣ_Drｖ_Sｅrvice（voｉd）；ｖｏidADC_Dｒv_Demo（void);voiｄＰWM_Drv_Init（vｏid）；voidPWＭ0_Ｄｒv_SetＤuty（unｓｉgｎｅｄchaｒDutyValue)；ｕchaｒAＤC_channel=7；／/选中哪一个通道的变量（范围0--7）uｉntＡDC＿Resｕlt[8]＝0；／／保存ADC转换结果floａtm,n;ｕchａｒD；uｃhａｒcoｄeｔable［］={0xｃ0，0xf９，0xa４，0xb0，0x99,0x92，0x82，0xf8,０x80,0x90｝；uchaｒｃodｅgａｏ＿ｔable［］=｛０x40，0ｘ7９,0ｘ2４,０ｘ３０,0ｘ19,0ｘ12};sbitP2_0=P2＾0;sbitＰ2_1=Ｐ2^１；sbitP2_2＝P2^2;sｂｉｔP２_３=Ｐ2^3;ｓbitP2_4=Ｐ2＾４；sbiｔP２_5=P2^5；ｓbitP2_6=Ｐ2^6;sbitP２_7=P2^７；sbｉｔPWM0=P1^3；//定义ＰWM0的输出端sbiｔP1_5=P1^5;biｔADＣ_Fｉｎｉsh_Flａg=FＡLSE；／/ADC完成标志uinta，b，c；ｖoｉdmaｉn（)｛a=０，b=0，c=0,D＝１00；Ｐ1_５=0；ADC＿Dｒｖ_ＩｎitＣh(7)；ＡDＣ_Ｄrｖ_SｔaｒtCｈ(７)；PＷＭ_Ｄrv_Inｉｔ(）；whｉle(1）{kｅy（）;n＝ｃ+0。1＊b+0.01＊a;ＡＤC_Dｒv_Sｅrvice（）；ADC_Dｒv_Deｍo（）;PWＭ０_Dｒｖ_SetDｕｔｙ(D);ｉｆ（m＜n)｛iｆ((m+0。05）＞n)；elｓｅ{if(D<=0）D=0;elｓeD——;}｝if（m>n）{if（(m—0。０５）〈n);elｓe｛if(D〉＝２55）D=２5５；eｌｓｅD+＋;｝｝iｆ（Ｐ1＿5)ｄisｐlaｙ（m）;ｅlseｄisplａy(ｎ)；}｝vｏｉddｅlaｙ（uintz）/／延时函数{uiｎtx，y；ｆor（ｘ=z;x〉0；x—－）for(y=110;ｙ＞0；ｙ--）;}voｉdkｅy（）//键盘扫描函数｛if（Ｐ2_6==0){delay（１0)；／/延时去抖动ｉf（P2_6==０)｛ｗｈilｅ(Ｐ2_6=＝０）；iｆ(a＜9)｛a++；｝eｌsea=０；}｝if（Ｐ2＿5==０){ｄelａy（10）;/／延时去抖动ｉf(Ｐ２_5=＝0)｛ｗｈiｌｅ（Ｐ2_5==０）;if（b<９）{b+＋;｝else（b=0）；｝｝if(P2_４==0)｛delａy(10)；//延时去抖动iｆ(P２_4＝＝0){ｗhiｌｅ(P2_４==0）；iｆ（ｃ＜5）{c＋+;｝ｅlsec＝0;｝}if(Ｐ２_７==０){deｌaｙ(１０)；if(Ｐ2_7＝=０）{ｗhｉle(P2＿7==0);Ｐ1＿5＝！P１_5；｝}｝voiddiｓplay（floａtx）{ｕintM，N，Ｉ;I=１00*x/100；N=（10０＊x－100＊I）/１０；M=10０＊x－1０0＊Ｉ—10*N；P2_0=0;P0=table[0]；dｅlａy（1０）;P2_０=1；P2＿1=０；P0=ｇao_table［I]；ｄｅlay(１0）；P2＿1＝1;P2_2＝0;P０=tａｂle[Ｎ］；delay(1０)；P2_2＝1;P２_3＝０；Ｐ0＝ｔable［M］；delａｙ（10);P2_3=1；}voidＡDC_Drｖ_ＩnitCh(ｕnｓｉgｎeｄｃhaｒChNo)｛P1ASF=Ｐ1ＡSＦ｜（0x01＜＜ChNｏ)；/／初始化相应通道工作在AD模式下｝voｉdAＤＣ＿Dｒv_StartＣh（ｕchaｒChNｏ）//转换启动｛uintDｅlay=0x０0;P1ASF=P1AＳF｜（0x01<<ChNo）;/／初始化相应通道工作在ＡD模式下ＡDC_ＲES=0；/／ＣlｅａrｐreｖｉoｕsresuｌtADC＿COＮＴR=ADC_ＰOWER｜AＤC_SPEEDLL｜AＤC_STAＲT|ChＮo；／／ｆor（Delay=０ｘ0０;Delａy<5０0；Delａy++）；／/AＤCpoｗer-ｏnanddelayIＥ=0xA0｜IE；//可位寻址中断允许寄存器用于AD中断EA=1;/／单片机CPU总中断}voｉｄＡDC＿Drｖ_Seｒｖice（voiｄ）｛ADC_Result［ADC_chanｎel]=ADＣ＿RＥＳ；ADC_Ｒesult［ＡDC＿channel］=(AＤC_Reｓulｔ［ADC_channｅl]〈〈2）|ADC_RESＬ;ADＣ＿Ｆinisｈ_Flaｇ=TRUE；｝vｏidADC＿Ｄrv＿Deｍo（void）{if（ADC_Fｉnish_Flａｇ==TＲUE)｛ADC_Finiｓh＿Flag=FALSＥ;ADC＿Drｖ_ＳtａｒtCh（ADC_channel）；ｍ＝ADＣ＿Reｓult［AＤC_ｃhａnnｅl]＊5。０／１０24;｝｝voiｄＰＷＭ＿Ｄrｖ_Iｎiｔ（void){CCOＮ=0;//初始化ＰCA控制寄存器CＬ＝０；/／初始化PCA计数器ＣH=0;CＭOＤ＝0x０８；CR=１;｝vｏiｄPWＭ０＿Drv_SetDuty(unsignedcｈarDuｔyＶaｌue）｛CＣAP0H=CCAＰ０Ｌ=DutyValｕｅ；//设置看空比ＣCAPM０=０x42；CR=1；}摘

要:高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势,要做到这一点,必须提高磁元件的功率密度平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合,使得高频寄生参数大大降低,极大地改进了开关电源的工作状态,因此近年来得到了广泛的使用研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式,介绍了设计平面变压器的一个标准方法,从而使得设计过程变得更加简单,大大降低了设计成本.最后,比较了平面变压器和传统变压器的一些参数,并给出了设计方针.

关键词:平面变压器;漏感;插入技术

0引言

磁性元件的设计是开关电源的重要部分,因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势,因此近年来得到了广泛的应用.对于一个理想的变压器来说,初级线圈所产生的磁通都穿过次级线圈,即没有漏磁通.而对普通变压器来说,初级线圈所产生的磁通并非都穿过次级线圈,于是就产生了漏感,电磁耦合的紧密要求也无法满足.而平面变压器只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上.所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求.因此,平面变压器的特点就显而易见了:平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小;平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低,这使变换器做在一个板上的设想得到实现.但是,平面结构存在很高的容性效应等问题,大大限制了它的大规模使用,不过,这些缺点在某些应用中,也有可能转换为一种优点.另外,平面的磁芯结构增大了散热面积,有利于变压器散热.

1平面变压器的特性研究

如前所述,平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗.绕组问的间隙越大意味着漏感越大,也就产生更高的能量损失.平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合,使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此能量损耗也就很小了.

在平面型变压器里,其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊.扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗,也就是涡流损耗.因此,能最有效地利用铜导体的表面导电性能,效率要比传统变压器高得多.图1给出了一个平面变压器的剖面图,并且利用两层绕组间距离的不同,而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值.

图2与图3给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化,可以明显地看出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小.在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了5倍之多.因此,在满足电气绝缘的情况下,应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值.

然而,容性效应在平面变压器中是非常重要的,在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显.而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响,绝缘材料的介电常数越高,变压器的容性值越高.而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰.为了验证,笔者做了一个试验,在铜导线的间隙增加O．2mm的情况下,而电容值就减少了20%.因此,如果需要一个比较低的电容值,则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择.

2插入技术

插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时,使原边绕组与副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合以减小漏感,同时使得电流平均分布,减小变压器损耗.

现在插入技术的研究被分为两个方面,即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路).因此,插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究.

2.1应用于平面变压器的插入技术

应用于变压器中的插入技术的主要优点如下:

1)使变压器中磁性能量储存的空间减少,导致漏感的减少;

2)使电流传输过程中在导体上理想分布,导致交流阻抗的减少;

3)绕组间更好的耦合作用,导致更低的漏感.

为了说明插入技术的特征,图4给出了应用3种不同插入技术的结构,P代表初级绕组,s代表次级绕组.试验显示SPSP结构是最好的,因为初级和次级的绕组都是间隔插人的.图5显示了在500kHz时,3种结构的交流阻抗和漏感值,通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器,交流阻抗和漏感值都有了很大的减少.

2．2多绕组变压器中平面结构的优势

平面变压器另一个重要的优点是高度很低,这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数.一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件,平面变压器很好地满足了这一要求.例如,在多绕组的变压器中需要非常多的匝数,如果是普通的变压器将会造成体积和高度过大,影响电源的整体设计,而平面变压器则不存在这一问题.

另外,对于多绕组的变压器来说,绕组间保持很好的耦合非常重要.如果耦合不理想则漏感值增大,将会使得次级电压的误差增大.而平面变压器因为具有很好的耦合,使得它成为最佳的选择.

2．3在不同拓扑中平面变压器的作用

在不同的拓扑中,磁性元件的作用也是不同的.在正激变换器中的变压器,磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中.然而,在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器,而是两个连接的电感器.在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量,而在关闭的时候将能量传送到次级绕组.因此,这种插入技术的优点同上面相比是不同的.应用于这种变压器的插入技术的特点如下:

1)在磁芯中储存的能量没有减少,因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动,并且没有电流补偿;

2)电流的分布并不理想,原因同上,因此交流阻抗也没有减小;

3)插入使得绕组间产生较好的耦合,因此有比较小的漏感值.

3平面变压器的标准化设计

平面变压器的优点如上所述,同样它也有缺点,其最主要的缺点就是设计的过程非常复杂,而且设计成本也非常高.

下面介绍一种标准的设计平面变压器的程序步骤[3];它通过提供一个标准的匝数模型的设计,使之能够被使用于不同的平面变压器中,从而使得设计过程大大简化,费用大大降低.

在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的,而且所有的层都保持着一样的物理特性:即相同的形状和相同的外部连接点.在有些多匝的层次中,这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点.如果有些层只有一匝,它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗.使用铜箔直接印制在PCB板上来替代传统的导线,即使在许多需要很多匝数的开关电源中,变压器依旧能保持一个很小的体积,这便大大减小了整机的体积.具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[3].图6显示了一个顶层的标准匝数设计的例子,它使用的是罐形(RM)磁芯.

铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取,这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路,大大减少集肤效应的影响.因此,应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度.

4实验论证

为了比较平面变压器和传统变压器,分别做了两种变压器的模型,一种使用平面结构并使用了插入技术,另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成.两种变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中.两个变压器的参数如下:

初级12匝:

次级两个l匝的绕组(1:1中心抽头).

传统变压器使用漆包线作为绕组,虽然在这些线圈中电流密度不尽相同,选择电流密度小于7.5A/mm.

平面变压器初级绕组做成4层,有4个并列的次级.这个变压器的最终结构如图7所示.

两种变压器都使用了同样的磁芯RM10,比较了两种变压器的漏感,交流阻抗和占用的面积,结果列于表1.

由表1可知,平面变压器的漏感仅为传统变压器的1/5,交流阻抗也仅为l/3,由此可见这将大大提高变换器的工作特性.而且,由于结构的更加紧凑,使得可以使用更小的RM8磁芯.

5结语

平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点,并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件.给出了一种标准的设计平面变压器的方法,使得设计平面变压器变得更加容易,成本也将大大降低.可以预见,平面变压器将有着相当好的应用前景.基于PＩD控制方式9Ａ开关电源Ｐsim仿真研究学院：电气与光电工程学院专业:电气工程及其自动化班级：1３电卓姓名:唐修亮学号：１302042５绪论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。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。目前,开关电源以高效率、小体积、重量轻、安全可靠等特点,以用来作为电脑、家电、通信设备等现代化用电设备的电源,为世界电子工业产品的小型化、轻型化、集成化作出了很大的贡献,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关调节系统常见的控制对象,包括单极点型控制对象、双重点型控制对象等。为了使某个控制对象的输出电压保持恒定,需要引入一个负反馈。粗略的讲,只要使用一个高增益的反相放大器，就可以达到使控制对象输出电压稳定的目的。但就一个实际系统而言，对于负载的突变、输入电压的突升或突降、高频干扰等不同情况，需要系统能够稳、准、快地做出合适的调节,这样就使问题变得复杂了.例如,已知主电路的时间常数较大、响应速度相对缓慢,如果控制的响应速度也缓慢，使得整个系统对外界变量的响应变得很迟缓；相反如果加快控制器的响应速度，则又会使系统出现振荡。所以,开关调节系统设计要同时解决稳、准、快、抑制干扰等方面互相矛盾的稳态和动态要求，这就需要一定的技巧,设计出合理的控制器,用控制器来改造控制对象的特性.常用的控制器有比例积分(ＰI）、比例微分（PD)、比例—积分-微分(PID）等三种类型。PI控制器可以提供超前的相位，对于提高系统的相位裕量、减少调节时间等十分有利，但不利于改善系统的控制精度；ＰＩ控制器能够保证系统的控制精度,但会引起相位滞后,是以牺牲系统的快速性为代价提高系统的稳定性。ＰIＤ控制器兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能,但实现与调试要复杂一些。本文中介绍基于PID控制器的Buck电路设计。一.设计要求及设计背景１。设计要求依据技术指标设计主功率电路，采用参数扫描法，对所设计的主功率电路进行仿真;掌握小信号建模的方法，建立Ｂｕck变换器原始回路增益函数；采用Matlaｂ绘制控制对象的Boｄe图；根据控制对象的Ｂoｄe图，分析所需设计的补偿网络特性进行补偿网络设计。采用所选择的仿真软件进行系统仿真，要求有突加、突卸80%负载和满载时的负载特性，分析系统的静态稳压精度和动态响应速度。2．设计背景Buｃk变换器最常用的变换器,工程上常用的拓扑如正激、半桥、全桥、推挽等也属于Bｕｃｋ族，其优点有输出电流纹波小，结构简单，变比可调，实现降压的功能等。然而其输出电压纹波较大，bｕck电路系统的抗干扰能力也不强。为了使其具抗干扰能力,输出电流达到所需的等级,减小其电压纹波,现设计校正网络使其闭环,提高系统的能力。二．Bucｋ变换器主电路设计1技术指标:输入直流电压（VＩN）：12V；输出电压（ＶO）：5V；输出电流（IN)：9Ａ;输出电压纹波（Ｖrｒ)：50ｍV;基准电压（Vrｅf):1。5V；开关频率（fs）：100kHｚ；2主电路及参数计算2。1主电路图1ｂuｃｋ主电路２.２滤波电容计算输出纹波电压只与电容容量及ESR有关：(1)电解电容生产厂商很少给出ESR，而且ESR随着电容的容量和耐压变化很大,但C与ＲC的乘积趋于常数，约为5０～80μ·ΩF。本次设计中取为７５μ·ΩＦ，由式（1）可得：RＣ=27.78mΩ，C=２700μＦ。1.2.3滤波电感的计算(２)（3)(4）图2开关管开通及关断时的等效电路由基尔霍夫电压定律可知开关管导通关断满足下列方程假设：其中L中串联电阻得当L=16．６0uH时，输出电流为：当Ｌ=16．60uH时，输出电压为：输出电压和电流以及输出电压纹波如下图所示:当L=16.60μH时，电感电流在9.6~１０。８之间波动,符合△iＬ≤0．2ＩＮ＝1。8A的设计要求,并且理论分析与仿真结果一致。三.补偿网络设计图７Buck变换器控制图3.１原始回路增益函数采用小信号模型分析方法可得buck变换器原始回路增益函数则(4）假设:ＰＷM锯齿波幅值再假设采样电阻Rx=3KΩ，Ry=1.3KΩ则采样网络传递函数(5)当S＝0时，原始函数增益为:所以极点频率根据原始系统的传递函数可以得到的波特图如图8所示，MATＬＡB的程序如下：num=［1.８*１0^(—4）２。4］；den=[4。48＊１0^(－8）2９.6＊10^(-６)１];H=tｆ(ｎum,ｄeｎ);bｏｄe（H);［mag，phase,w]=bode（H）；[gｍ，wcg，wcp]=margiｎ（ｍaｇ，phase，w);［pｍ，ｗcg，wｃｐ］=margiｎ(maｇ，ｐhaｓe,w）；mａrgin（H）；ｄisplａy（pm)；display（gm)；图8原始回路传递函数波特图从图８中可以得出起初的相位裕度:40。5°穿越频率:1.4９e3Hz根据要求相位裕度应达到50°-55°穿越频率提升到（即１０kHz—20ｋHz）均不满足，因此需提高其相位裕度，穿越频率。3．2补偿网络的设计原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。改进的思路是在远低于穿越频率fc处，给补偿网络增加一个零点fZ,开环传递函数就会产生足够的超前相移,保证系统有足够的裕量；在大于零点频率的附近增加一个极点fP，并且为了克服稳态误差大的缺点,可以加入倒置零点fＬ,为此可以采用如图9所示的PID补偿网络.图9PID补偿网络根据电路写出的PＩD补偿网络的传递函数为：（６)式中:为了提高穿越频率，设加入补偿网络后开环传递函数的穿越频率是开关频率的十分之一，即：（７）在这里，假设选择的倒置零点的频率为穿越频率的二十分之一，则有:（8）假设预期的相位裕度，则PＩD补偿网络的参数计算值如下:零点频率极点频率零点角频率极点角频率倒置零点角频率所以直流增益根据上面计算数据，得出补偿网络的传递函数为：(9)根据PID补偿网络的传递函数可以得到的波特图如图１0所示，ＭATLＡＢ的程序如下：num＝［１。1７＊10^（-３)28.3777500］；dｅn＝［５.32*10^(-6)1］；H=tf（num，den);boｄe(Ｈ）；［mag,ｐhase，w］=bｏｄe(H)；[gm，wcg，wｃｐ］=mａｒgｉｎ（mag,pｈase，w）;［ｐm，wcｇ，wｃｐ］＝mａrgｉn(ｍag，phaｓｅ，w)；ｍａrgiｎ（H)；diｓpｌay（ｐm)；dｉsｐｌay(gm）；图10ＰID补偿网络的波特图所以最后补偿后的整个系统的传递函数：（10）根据上面的传递函数，可以绘制出加PIＤ补偿网络后的传递函数波特图如图11所示,MATLAB的程序如下:num1=2．4；dｅn1=[4.48*10^(—8）29．6＊10^(-6）1］;g１=tf(num1,ｄｅn１）；ｎuｍ2=cｏnv（[4.7５*1０^(—5）１］，[2４。6７2４.6７＊3。１4＊1０00])；deｎ2=[5.３2*1０^（—6）1]；ｇ2＝tｆ（nuｍ2,dｅn2）;bｏde（g1，＇+＇，g2，’：’，g１*g２，’－')；以上程序是看波特图的曲线。ｎum=cｏnｖ（2.４*24。6７*［4.75*10^（－５)1]，［1３14０]）;dｅn=［２3.83＊10＾(—１4)４．5＊1０^（-８）３4.92*1０＾（—6)10］；H=ｔf（ｎuｍ,deｎ）;bode(H）;[mａｇ,phase，ｗ]=bode(H）;[gm，wcｇ，wcp]=margin（ｍag，ｐhaｓe,w);［pm,wcg，wcp]＝margin(mａｇ，phase，w）;maｒgin（H）；diｓplaｙ（pｍ）;diｓplay（gｍ）;这个程序是看波特图的相位裕度。图１1系统总回路传递函数波特图从图11可看出，相位裕度为5０。8°,穿越频率为1ｅ4Hz，由此可知经过校正后满足了先前的要求。３．3补偿网络电路中的参数计算假设补偿网络中Ｃi=1μF，则根据前面的公式，以及算出的直流增益、零点角频率、极点角频率、倒置零点角频率可得：Rｉz=47．５，Ｒip=６，Ｒf=１3１9。８，Cf=２４1实际中取Rｉz=50，Rip＝6,Rf＝1４00，Cｆ=2５0由于,有20%~10０％的负载扰动,３。４系统仿真图1２总系统图（负载扰动）图12中的R的值不是额定的值，而是20%后计算所得的值。变换器仿真结果如图突加、突卸8０％负载时:由于有20%－-１００%的负载扰动，２0％In=1。2ＡＲＬ=5/１.2=4。167Ω２5/／Rn＝0。8３解得Rn＝０．859Ω突加、突卸8０%负载时的Psim图如图13示：图13突加、突卸80%负载时的Psim图变换器仿真结果如图１4示：图14变换器仿真结果四。心得体会本次开关电源课程的大作业,通过pｓim对ｂuck变换的仿真,让我充分了解到大学学习的不仅仅是理论知识，更重要的还是把所学的在实践中运用起来。在对电路图的仿真中，我遇到了不少问题,通过这些问题我向许多掌握的比较好的同学求教，最后有些问题基本解决了，还有的需要以后更深刻的去认识与理解psim的工作方式与特性。这次的大作业，也提前教会了我如何规范一篇论文的格式要求，为我大四的论文设计增添了基础。并且在实践中增加了我的交际能力。此次大作业，也教会了我如何去学习课本以外的文献来丰富自己的知识,并把这些文献的内容为自己所用。通过对buｃk电路的仿真研究，充分锻炼了自己,对以后的学习有很大帮助。参考文献[1］张建生主编。《现代仪器电源》[M]．北京：科学出版社2005:1－26。［2]王兆安，黄俊主编。《电力电子技术》［M］.北京:机械工业出版社，2000:94-96．［３]陈丽兰主编．《自动控制原理》[M].北京：电子工业出版社，2０0６：73-74.［４］张卫平主编.《开关变换器的建模与控制》［M]．北京:中国电力出版社，２005：１３4-141．[５]徐德鸿译.《电力电子系统建模及控制》[M］。北京:机械工业出版社，2005：17４—180.[6］张晋格主编.《控制系统ＣAD》[M].北京：机械工业出版社,２004：12８-134。中文题目:基于单片机的恒流开关电源英文题目：MCU-ｂａｓedswitcｈingpｏwersｕpｐlydｅsigｎ姓名学号专业班级指导教师提交日期摘要本开关电源设计采用ＳTC１2Ｃ5Ａ60Ｓ2单片机发生47KHZ的PWM脉冲信号，经过IR2104控制MOS，从而控制整个BUCＫ（降压式变换）电路。单片机内部自带的10位ＡＤＣ能通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值,并由此调整输出的PWＭ的占空比，形成电流电压闭环控制系统。按键能设置输出电流从0．2A到2A，以０．01A递增，输出最大１0V，液晶能显示实时输出电流与电压.根据测试，满载的供电效率为88％。按键设置的输出电流的误差小于0.０1A.关键词：开关电源,BUCK，STC单片机,IR2104，恒流源MCU－ｂaseｄswｉtchｉｎgpoｗersｕｐplydｅsignAbstｒactTheswitchingpｏwersｕpｐlydeｓｉgnusesSＴC１2C５A60S２microｃoｎtｒolｌｅrPWMpｕｌseｓignaｌ4７KHＺhappen，afｔeｒMOＳdriverＩCIR２1０4coｎtrolthewｈoleBＵCKciｒｃuｉt.MCＵcoｍeｓwith10intｅrnａｌADＣｖｏltaｇedetectｉoｎcurrｅnｔｂyrｅａl－timefeedbaｃｋcurrentaｎdvｏｌtａｇｅvalueｓ,ａnｄtｈerebｙadjｕsｔthｅoｕｔｐutPWMdutｙｃyｃlｅ，forｍingａvoltageｃlｏseｄ-loｏpcontrolsystem。Buｔtoｎcａnsｅttheoｕtpｕtvoltageｆrom0Vtｏ10Ｖlimitof,1Vsｔeps,ｔheLCＤcａndｉsplayreａl—timｅoutｐｕtｖoｌtageandcuｒrent。1０Watｔｈeratｅdｐowｅrouｔpuｔ，ｆuｌllｏadpｏwereｆｆiｃienｃyof81％。Bｕttoｎsｔｏsｅttheｏutputvｏｌｔagｅerroriｓlesｓｔhaｎ0.1V。．Keywords:SwitcｈingpｏwerｓuｐplｙBUCKSTCmｉcrocontrolleｒIＲ２1０４Adjuｓｔableouｔpuｔ目录TOＣ\o＂1－2”\h＼ｚ\u1前言PAＧEＲEＦ_Toc42023１8７7\h１ＨＹPEＲLINＫ1．3研究内容和方式２HYPEＲLINＫ\l”_Tｏc4２02３18８1"2系统分析PＡＧEREF_Toｃ42０2３１8８１\h４ＨYPERLINK\l＂_Toc４2０231882”２。1系统论述ＰAGＥＲEF_Toｃ420231882\h4２．２Ｂuck工作原理PAGERＥＦ_Toc4２02３１８８3\ｈ４ＨYＰERLINK\l＂＿Ｔｏc42０2３1884”2．3Bucｋ波形分析ＰAGEＲＥF_Tｏｃ4202３1８8４\h５2.4Buck稳压分析ＰAGEＲEF_Toc4２０231８8６\h6HYPＥRLＩNK\l”_Toc4202318８7”2．５小结PAGＥREF_Toｃ４20２３1887＼h7HYPEＲＬＩNK\l”＿Ｔoc420２31888＂3硬件设计PAGEREF_Toｃ4２０23１８88\h8HYPERLＩNK\l”_Ｔoc420２3１8８9”３.1总统框架PAGEＲＥＦ＿Ｔoｃ４202３188９\h8HYPERLＩNＫ\l＂_Ｔoc42０2３1890＂3．2各部分电路的选择PAGEREＦ_Ｔoｃ4202３1８9０\h８HYPERLINK\l＂_Toc4202３18９１"３．３小结４2０23189１\h13HＹPERLINK4．1电压电流双闭环控制算法设计PAGEＲEF_Toc4２0２3189３＼h14HYPERLINK\l＂_Ｔoｃ４20231894"4．2主程序程序设计PAGERＥF_Toc４20２31８９4＼h１５4．3按键子程序设计PＡＧＥREＦ＿Tｏｃ４20２318９5\h15HＹPERＬＩNK\l＂_Ｔoc4２0231８9６”4.4ADＣ中断程序PAGERＥＦ_Toc4２0２3189６\h16ＨＹＰＥRLINK\l”＿Toc４２０２３1897"４。5关键程序８9７\h１75系统测试PＡGEＲEF_Toc4２0２31898\h19HYＰEＲLIＮK\l＂_Ｔoｃ420２318９9＂5。1实物图片PAＧEREF_Ｔoc420２31899\h１95．２电压调整率测试PAＧEＲEF_Toc42０2319０0＼ｈ19５。３负载调整率测试ＰAGＥＲEF＿Toｃ４2023190１\ｈ21HYPERLINK\l”_Ｔoc420２31902”5.4电路效率测试PＡGERＥF＿Ｔoｃ420２31９02\h22ＨYＰERLINＫ\l”＿Tｏc420231903”6总结PAGEREＦ_Toc420２3１90３\h2５HYPERＬＩNK\l＂_Toc42０231９04"6.１结论PAＧERＥF＿Toc４2０23１9０4＼h25６。2创新点PAGEREF_Ｔoc4202３1９05\h25HYPＥRＬＩNK\l”＿Toｃ420231906＂６.3存在问题PAGEREＦ_Toc420231９０6＼h25HYPERＬIＮK\l＂_Tｏc42０23190７”致谢PAGEREF＿Ｔoc４20231９07\ｈ26HYPＥRLINＫ附录ＰAGＥREF_Toc４20231９09\h28HYPＥRLＩNＫ\l＂_Ｔoc420231910＂附C语言程序源代码ＰAGＥREＦ_Ｔoc４20231910\h281前言1．1课题研究意义开关电源顾名思义，开关电源便是使用半导体开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等）,经过控制电路，使半导体开关器件不停地“导通”和“关闭”，让半导体开关器件对输入的电压进行脉冲调制,从而完成直流到交流、直流到直流电压变换，和输出电压可调和自动稳压.开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式,频率固定、脉冲宽度可变模式,频率、脉冲宽度可变模式.前一种工作模式多用于直流交流逆变电源，或直流／直流电压变换；后面两种工作模式一般用在开关稳压电源。另外,开关电源输出电压也有三种工作式样：直接输出电压的方式、平均值输出电压的方式、幅值输出电压的方式。同样的,前一种工作方式经常用在直流/交流逆变电源，或直流／直流电压变换;后两种工作模式经常用于开关稳压电源［１］。1。2研究现状及存在问题近半个世纪以来,国内外学者对开关电源进行了很多的研究,取得了很多的成果。1．2.１国外研究现状上个世纪的50年代初,美国宇航局为了搭载火箭,开关电源诞生了，这便是开关电源诞生的起源，此开关电源以小型化、轻巧化为目标。在历史进程中进行了近半个多世纪后,开关电源技术越来越成熟,更因具备了性能稳定、小、发热较低、轻、转换效率高等优点慢慢的在取代了传统电源技术下所制造的不间断工作电源,并在电子设备等各领域有了广泛的应用。最终在80年代，率先完成了大部分电子产品的电源换代，同时也完成了全面开关电源普及化。在到来的20世纪9０年代，开关电源更是进入了快速发展的黄金时间，家电、电子设备都得到更广泛的应用。又经历了几十年的努力下,现在的开关电源技术都有了技术性的重大突破与发展.更多新技术的发现与开发将当代开关电源又带上了另一个全新的时期,在高新技术领域的应用更是推动了高新技术产品的发展，其中以其小型化、简便化的特征尤为突出。1。2。２国内研究现状国内学者有关开关电源的研究，有以下研究状况：伴跟着开关电源的诞生,1960年代初期，我国开始对开关稳压电源进行的设计，研制并加以生产。直到60年代中期才开始慢慢地进入了实用的阶段。在对开关电源有了一定认识后，我国在7０年代初期便试着开始对无工频降压变换器进行深入研究应用在开关稳压电源上,继而对其进行设计、研制和生产。最终在1974年,我国第一台工频降压变压器式的开关电源被研发出来了，输出电流是5v,工作频率是1０KＨｚ。跟着我国开关电源的向前发展，我国许多研究所、工厂等在近十年发展中也纷纷研制出来了无工频降压变换器的开关稳压电源，这种开关电源的工作频率大概在2０K左右,输出的功率在１000W以下，但是其型号与用途众多,都投入电子设备、电视机、通信等领域进行广泛的使用.跟着时期的发展,因为我国半导体与工艺跟不上时期的潮流,导致了自己生产与研制的开关稳压电源的关键元器件大部分仍要经过国外进口,导致当代开关电源技术与一些先进国家相比仍存有巨大的差距。1.2.３目前存在的问题综上所述，目前国内外学者研究的开关电源普遍存在以下四大方面的问题:1)多数使用模拟IＣ控制,控制式样不够智能化；2）不能显示输入和输出的电流电压状况;３）多数开关电源为固定输出；4)可调的开关电源只能通过电位器模拟调整，不能直接得到准确的预设电压.1。３研究内容和方式为了设计一种更加智能化的开关电源，必须进行更深入的开关电源机理研究,下文字阐述了具体的研究内容以及研究方法。1。３．1研究方案设计出一种基于SＴC系列51单片机的ＢＵＣＫ型直流降压开关电源是本课题所要研究的主要内容.本系统需要达到的预期目标是：在系统完成后，系统能预置电压,其步进的电压为1V，输出的电压的限度为０V~10V，输出电流为0~1Ａ。同时液晶显示屏上可以显示出所预置的电压，另有实时的输入输出电压,实时的电流,来使得本系统可以让调整速度加快、提升精准度，同时也能使得电压和负载的调整率降低，提升系统的效率，不在附加额外的电源板，最后还可以让输出的纹波变小等。1。3。2内容安排1。首先了解课题研究的意义，和国内国外相关发展动态。2。大致的概述设计的开关电源的系统方案。3．系统的硬件设计，包括输出电路，直流斩波电路，PWM发生电路,显示电路设计等。4。系统的软件设计，对应用的编程软件进行流程图讲解,对所用方式进行概述所。5．系统调试与测试，对做好的机开关电源进行调试与数据测试并对结果进行分析.６．最后简要的总结本系统设计的工作要点和所得收获。2系统分析2．1系统论述直流／直流变换是将固有的直流电压转换成可调整的电压,又叫做直流斩波。它有多种拓扑结构,本系统应用的是BUＣK（降压式变换电路）型直流/直流，其特征是输出的电压比输出电压低.如图2-1所示.图2－1BUCK电路拓扑2。２Bｕck工作原理当Ｍｏs管或者三级管导通很长很长时间后,所有的元器件均处在一种理想状态的情况下，此时电容的电压会等于输入的电压。在这样的条件下，我们使用BＵCK变换器的充电和放电这两个阶段来对这个电路进行说明：２．2．1在电感充电的情况下当BUＣK变压器处于充电的过程时，将开关闭合,此时三级管处于导通的状态，可以用一条导线来替代，替代后的等效图如下.当输入的电压经过电感这时刻，二级管因为反接,所以没起到作用,这里删去。再加上输入的是直流，因此电感发生的电感电流是成比率上升的，具体上升多少与电感的大小有关系,电感相当于一个恒定电流源,起传递能量作用,电容等于恒定电压源，在电路里起到滤波的作用。BUＣK变换器充电阶段等效图如图２-2所示。图2—2BUCK变换器充电阶段等效图2。２．2在电感放电的情况下当BUCK变压器处于放电的过程中,开关管子已经断开,此时的三级管处于截止状态，这里把它拿掉，等效电路图如下。在开关断开的时间里，因为电感的保持电流不变特征，电感上的电感电流不会一下子下降到零，而是把充电完成后所累积的电流值慢慢下降到0。在这个过程中,因为原来的电路已经断开了，因此电感沿着之前的方向，经过二极管D形成一个新的回路的，即流过电容对电容进行充电，从而保证了负载端获得连续的不间断的电流。BUCK变换器放电阶段等效图如图2—3所示。图２－3BUＣK变换器放电阶段等效图综上所述,BUCK变换器的升压过程便是电感能量储存和释放的过程。在充电的过程时。电感通过流过它自身的电流不断储存能量,在放电的过程时,假如电容容量足够大，那电容的两端就可以在放电的过程中保持一个持续不间断的电流放电，假如这个通断的过程不断的被重复,那么就可以够让电容两端的电压低输出的电压，从而完成降压的目的。2.3Buck波形分析波形如下所示。导通时Q电流闭合时Ｃ电流L的电流和输出电流的关系：输出电压与输入电压的关系:２。４Buck稳压分析本设计采用串连型开关电源,其稳压原理框图如图2—4所示。在MOＳ管导通的时刻，电感L将流过的电流转换成磁能进行能量储存，电容C将流过电感Ｌ的部分电流转换成电荷储存。在MＯＳ管关断的时刻,电感L发生反向电动势,输送给负载R并与续流二极管D组成回路，同时电容Ｃ将电荷转换成电流向负载供电。经过不断导通与关断MOS管，使uｏ发生脉动电压，经过ＬC滤波电路使脉动电压转变成较稳定的直流电压Uｏ输送给负载，输出电压Ｕo的电压值与MＯS管在一个周期内导通的时间成正比。当外部因素使输出电压或电流发生变化时，经过单片机自带的1０位AＤC实时采集输出的电压和电流，实时调整开关K导通的占空比，从而组成闭环电压控制电路,使输出电压能达到稳定。图2-4开关电源模块稳压原理2．4．1LC滤波电路参数推导采用输入电压25V，输出电压最大为1０V，根据推导公式如式（2—1）所示:此中Ｔon为PＷM一个周期内导通时间、Uｉ为输入电压、Uｏ为输出电压、Uｄ为肖特基二极管的电压降（约等于０。6V)、Io为一个直流/直流模块的输出电流。(2-1)ＰWM的占空比为D:（2—2）代入数据后得到（2－３）一般而言，开关电源的频率越高,电感的感量可以越小，效率也可以越高。此单片机能输出的PWM最高频率为47KHZ，所以本设计选择让单片机输出４７KHＺ的PWM。那么f=47Khｚ导通时间Ｔon为（2—4)电感量L为:(2-5）因此将各参数代入式(2—5）得式（2－６)：(２—6）计算得到３2uＨ电感，这里采用５倍以上余量，采用１50ｕＨ的电感，可降低电感温度.另外本设计采用铜线和磁芯做成的电感以增大电感的储能能量提升供电的效率。按照串连型开关电源的电容推导公式如式(２—7）所示，此中C为电容容量、Io为一个模块个输出电压、△Up—p为输出纹波电压，T为PWＭ一个周期的时间。（2-7)输出电压最大为10V,我们设定纹波电压为0．1Ｖ,将各参数代入式（２—7）得式(2-8）结果:（2-8)本设计采用2个１000的电容，达到降低纹波电压的目的。2。5小结综合以上的分析论证，本单片机的开关电源设计采用BCUK拓扑，经过原理分析和认证，最终推导选择了合适的电容和电感。3硬件设计3．1总统框架基于单片机的开关电源设计,由SＴC单片机、变压器,整流滤波电路，ＢＵＣK主回路、降压稳压电路、按键电路、液晶电路、电压检测电路、电流检测电路等组成。总体设计框图如３—1图所示。下面分别论证这些方面的详细方案选择。图3-1总体设计构架图３。２各部分电路的选择3。２。1单片机SＴC12Ｃ5A6０S2单片机，在指令代码的方面可以完全兼容传统8０51,同时它的速度比传统的805１单片机要快8—1２倍，体现了其高速度的一面。这系列单片机其里面有专用的集成复位电路，另有8路高速的１0位ADＣ转换，同时还兼有2路的PＷM等,它的功能之强大远超传统的805１系列.图3－２STC１２C5Ａ60Ｓ2单片机实物图3.2。2ＩＲ2104半桥驱动电路IＲ２10４是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理。上电时，电源流过快恢复二极管Ｄ向电容Ｃ充电，Ｃ上的端电压很快升至接近Vcc,这时假如下管导通，C负级被拉低，形成充电回路,会很快充电至接近Vcc，当PWM波形翻转时,芯片输出反向电平,下管截止，上管导通，C负极电位被抬高到接近电源电压,水涨船高，Ｃ正极电位这时已超过Vcｃ电源电压.因有D的存在，该电压不会向电源倒流，C此时开始向芯片里面的高压侧悬浮驱动电路供电，Ｃ上的端电压被充至高于电源高压的Ｖcc，只要上下管一直轮流导通和截止，Ｃ就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电，使上管打开的时刻，高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。采用该芯片降低了整体电路的设计难道,只要电容Ｃ选择恰当，该电路运行稳定。IR2104应用电路图如３—３所示。图3－3IＲ2１0４应用电路图3.２。3电路供电电源的选择线性降压芯片7８０5。这个稳压IC需要的外围元件很少，ＩC内部还有过流、过热及调整管的保护措施,不但价廉且输出电压很稳定.78系列的稳压集成块要考虑输出与输入压差带来的功率损耗,所以一般输入输出之间压差要大于2V。其应用电路图如图3-4所示。图3—47８05应用电路３．2.4电流检测电路方案一：霍尔电流传感器。电流流过霍尔传感器的线圈发生磁场,磁场随电流的大小变化而变化，磁场汇集在磁环内,霍尔元件输出跟着磁场变化的电压信号。经过检测电压值,能得到电流的大小.方案二：电阻分压检测电路。经过在输出回路中串连采样电阻，将经过电阻的电流转换成两端的电压，经过检测电压值从而获得电流值.该检测方式电路和程序控制都比较简洁。要完成对输出电压和电流的闭环控制，务必对输出电流和电压进行采样反馈。本设计采用如下图所示的电流电压检测电路。为了便于ＭCU采集,分压电阻发生的电压经过由LＭ358组成的同相比例放大器放大后，输入到ＭCU的ＡＤＣ端口。LM35８内部集成的是双运放，单电源和双电源都能使其工作.图3-５Ｌｍ35８引脚图及引脚功能要完成对输出电压和电流的闭环控制,务必对输出电流经过运放放大后进行采样反馈。本设计采用如图３—6所示的电流检测电路。图３—6电流检测电路输出最大电流为２A。本设计采用电阻分压的式样对输出的电压进行实时检测，因为采样电压直接输送给单片机10位AＤC进行检测，单片机供电电源为５Ｖ，所以其内部自带的检测的最高电压也为5V，这个电路中，LM358由5V电压供电，最大输出电压和供电电源电压之前有１。2V压差，所以能输出最大电压为:(3—１）2Ａ电流经过0。０2Ω电阻得到的电压为（3-2)该电压要经过放大后才能更容易被单片机检测到，在这个应用中运放的放大倍数应该小于（３－3)这里选择R12和R１0为３３K和１K，放大倍数为(3-4)因为〉，符合设计要求。即当电流为2A时，运放输出电压为：(3-5）3。２．５电压检测电路输入电压最大为10V,而单片机的采样电压最高位5V，故电压采样电阻比例应该小于(3—6）这里取R1和R5是47K和10K，（3—７）因为1〈2，所以满足条件。当10V输出时,单片机检测到的电压是,（３—8)电压分压检测电路如图３—７所示。图３－7电压检测电路3。２.6按键电路目前单按键这种模式的键盘使用方便，响应的快并且接口还简洁.综合以上本系统采用的是非编码式键盘。本系统设计应用了３个按键,按照软件来定义它的功能,键盘与单片机的P2．3、P２．２、P2。1键盘是若干按键的集合,是向系统提供操作人员干预命令的接口设备。S1为开关按键，按一下即有输出,按第二下即输出停止,如此循环Ｓ2为输出电流增加。S3为输出电压减少.如图３—8所示图３－8按键电路3.2.7液晶显示模块系统采样1６02液晶显示。液晶驱动电流较小，能显示较大信息量,无需增外设电路。能显示多行数据，方便用户进行更多的操作。能显示输入输出的实时电压，输出的实时电流，预设的输出电压。如图3—9所示图3—916０2液晶显示3。3小结综上所述，本开关电源设计采用ＳTC12C5Ａ60S2单片机发生4７ＫHZ的PWＭ脉冲信号,经过IR2１04控制ＭOS,从而控制整个BＵCK(降压式变换）电路。单片机内部自带的10位ＡDC能通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值，并由此调整输出的PWＭ的占空比,形成电流电压闭环控制系统。按键能设置输出电流从0.２A到2A，以０。０1A递增，输出最大10V，液晶能显示实时输出电流与电压。总体电路图如3－10所示。图3－10总体电路图4软件设计5１的语言主要有汇编和C两种。汇编虽然运行快，但是编程繁琐，移植性差;C具备良好的可读性和移植性。本系统采用Ｃ语言编写程序,KeilC51作为集成开发环境。4.1电压电流双闭环控制算法设计由于题目要求输出电压在１0V以内，输出电流应该在0.２~2Ａ以内,所以应该具有如下C—V曲线特性，在电流和电压的双闭环控制中。使得输出电流在2A范围内，电压在10V范围内；控制模式如下：电流电压PWＭ条件＞2A>10Ｖ++〈=１0V—－<＝2A>10V—－〈＝10V——软件设计包括：主程序设计，按键子程序设计，ＡDＣ中断程序设计４．2主程序程序设计主程序主要处理对时间要求不敏感的数据,例如按键检测，和显示电压电流状况,此中显示这些数据时刻采用数字平均滤波算法,采集5０个数据,继而取平均值,使得到的数据更加接近真实状况，使得显示出来的电压和电流不会乱跳，抗干扰能量得很大的提升。４。3按键子程序设计按键子程序中,按加键的话，增加输出电压预设；按减键的话，降低输出电压预设;按开关键的话,能控制IR２10４的工作与否,从而控制整个BUCＫ的工作与否。４．4ＡDC中断程序ADＣ中断程序中，因为有输入电压，输出电压，输出电流这3个数据要监测,所以采用通道轮流询问的办法完成。于此同时,要完成电流电压检测的双闭环的话,要在ADC程序中加入PWM处理程序,使得当输出负载变动，引起检测到的输出电压ADＣ值变动,PＷM需要实时响应这个变化，所以在ADC程序中,要加入PWＭ的重装数据的语句。4．5关键程序ｖoidADＣ_interrupt（)interruｐｔ５ //ADC转换完后ADC_FＬＡG由硬件自动置位，｛ﻩｕｉｎtADC_valuｅ； //ADC转换结果 １0位 AＤC＿ＣONTR&=!ＡDC_FＬＡG； //cｌｅarADCflagﻩADC＿vaｌue=（ＡDC_RＥS＜〈2）＋ＡＤC_RESL；ﻩ// ADＣ_valuｅ=(AＤC＿ＲES〈〈２）+AＤC_RＥSL； switcｈ(cｈannel）ﻩ{ﻩcase0： Batｔery_ｖoltａｇe＝ADC_vａlue；ﻩchａｎnｅl=１; break； case1:ﻩBｏost_Buck＿currenｔ=ADC_vａlｕｅ;ﻩif(！lｏck）ﻩ{ if((Ｂoｏsｔ＿voltａgｅ＜3７0)&＆（Ｂoost＿Bucｋ_currenｔ〈(OUT_Ｃuｒrent〈<1）)）／/（（Boｏst_voｌｔagｅ<Boost_temp）＆＆ { PWＭ＿temp--;ﻩｉｆ(PＷM＿ｔemp<10)ＰWＭ＿temp＝10; ｝ﻩeｌse ｛ PWM_temp++； if(PWM_temp〉2５0)ＰWM_tｅmp=250；ﻩ}ﻩCCＡＰ1Ｈ＝CCAP1Ｌ＝PWM＿ｔeｍp;ﻩ｝ ｃhａnnｅl=2；ﻩbreak；ﻩcase2:Boost＿voｌtaｇｅ=AＤＣ_vａlue; channｅｌ＝0；ﻩｂreak；ﻩdeｆault：bｒeak；ﻩ｝ ＡDC_CONＴＲ=0xE8｜channel；ﻩADC_ready＝1；}STC１2Ｃ５A60S2单片机内部自带的１0位ＡDC能通过电压电流检测电流实时反馈电流和电压数值,并由此调整输出的PWＭ的占空比，形成电流电压双闭环控制系统。按键能设置输出电流从０.2A到2A,以0。01A递增,输出最大1０V，液晶能显示实时输出电流与电压。5系统测试5．1实物图片实物由万用板手工焊接,板子的正面（a）和背面(ｂ）如图5-１所示.（ａ)板子正面（b)板子背面图5－１总体电路图5.２电压调整率测试电压调整率，来源于电源在满载时，其输出电压因该电源的供电电压波动引起的变化,是稳压性能优劣的重要指标。5。２。1测试仪器需要测试电源的电压调整率，需要直流可调压供电电源，要万用表和负载。可调压电源：本实验采用兆信30/５A数显线性电源。如图5—1所示。万用表:深圳胜利VC980+数字万用表，数量为4个.负载：负载为100W50Ω的环形滑动变阻器。图5-2可调压电源5.2.2测试方式测试示意图:测量电路点如图５—3所示（3、4、5、6、7为测量点）:图5－３测量电路测试步骤：第一步：在3、４点间用电压表测输出电压,在3、4点串入电流表在５、6点间用电压表测输出电压,在5、7点串入电流表;第二步：在１、2点源接入市电；第三步：调整可调变压器电阻，使电源满载输出；

第四步：调整稳压电源电压,使电压为１2V,记录输入与输出电压;第五步：逐步增大电源电压，每隔一段做一次的记录，直到输出电压的上限1９V.5．2