单片机开关电源设计

目录1绪论 12.1单片机的发展历史 12单片机的概述 13电源开关的硬件系统设计 33.1数字化智能开关电源的设计思路 34软件设计 75结语 7毕业设计总结： 8参考文献： 81绪论单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。随着仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化,完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变。而数字仪表采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河：（1）广泛采用新技术，不断开发新产品。（2）新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维过程及变化趋势的两大优点。（4）安全性。（5）操作简单化。2单片机的概述2.1单片机的发展历史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单修带来极大方便。（3）为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，"数字/模拟条图"双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。2.2单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1.耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2.微型单片化单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。3.主流与多品种共存在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。3电源开关的硬件系统设计3.1数字化智能开关电源的设计思路智能化开关电源的主要功率变换电路仍然采用与传统开关电源相同的拓扑结构,但其反馈控制环路不采用传统的模拟控制方式,而是采用数字控制方式，即误差采样,脉冲宽度调制(PWM)的调制信号的计算、生成,遥感信号的接收、处理等控制部分电路均使用数字控制技术。通过智能化的数字控制技术,力求解决环路的稳定性、抗干扰性、电源远程控制性等问题。本开关电源主要技术指标:①交流输入电压85～265VAC宽范围输入;②直流输出电压5～15V连续可调;③输出电压调整率≤2.5%;④具有输出短路控制;⑤具有电压显示功能及故障报警指示。3.2硬件电路设计3.2.1硬件电路原理系统原理框图如图1所示。电路的工作原理为,市电经EMI滤波、整流滤波变成直流电送入功率变换电路(DC/DC),功率变换电路在PWM电路和单片机的控制下输出稳定的直流电压。用户可根据需要通过键盘对开关电源输出的电压值调节,单片机系统自动对电源输出电压进行数据采样,并与用户给定数据进比较,然后根据设置的调整算法控制开关调整电路,使电源输出电压符合给定值。单片机在调整电源输出电压的同时还要检测电路的输出功率,当输出功率超过最大功率时,就起动保护电路,实现保护功能。为了使智能开关电源能可靠、安全地工作,本系统可设置多重监测和保护系统,主要包括过压、欠压和短路保护。3.3主要芯片介绍3.3.1IW1692WI1692是一种采用数字控制技术,高性能的AC/DC电源控制器。其数字调节设计是高效率的,内置保护功能,使外部元件较少,简化设计使电路成本较低,电路工作可靠。WI1692无需次级反馈电路,但能实现良好的线性负载调节;无需环路补偿元件,但提供稳定的运行。脉冲波形分析设计在第一环路,使得反应速度远远超过传统解决方案,从而提高了动态负载响应。内置功率限定功能,使变压器设计变得最优化,可以使用最普遍的离线设计变压器绕组,并且提供宽输入压范围,低起动电压。当输出电流大于最大负载电流的5%时,WI1692以固定频率PWM模式运行。当输出电流减小,开关管导通时间Ton也减小,当Ton下降至Ton2min,芯片转换为脉冲频率调制(PFM)模式,即轻载时电源转换为PFM模式,使电路损耗达到最低。这些使WI1692成为最理想电源控制的选择,并且符合最新的电源标准。3.3.2AT89C52在兼顾运算能力与控制性能,并考虑设计成本及产品投入使用的经济等因素之后,在此选用传统的性价比高的AT89C52单片机为核心控制器。AT89C52是一种低功耗、高性能的片内含有8kB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易失存储技术制造。芯片上的EPROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。3.3.3MAX1247、MAX525和74HC573MAX1247是4通道模拟输入12位、串行输出A/D转换器;MAX525是4通道模拟输出、12位串行输入D/A转换器。这两种芯片特性有很多相似之处,可以和单片机构成一个完整的4通道测控系统。采用串入、串出,解决了单片机口线资源不足的缺点。74HC573是八进制3态非反转透明锁存器。3.4电路实现3.4.1开关电源电路及主要元器件选择开关电源电路如图2所示。本部分电路主要实现交流EMI滤波、整流滤波、钳位保护、PWM控制、DC/DC输出,并由输入输出电阻分压进行采样。(1)交流EMI滤波及整流滤波。电压输入后由C1、C2、C3、C4及L1组交流EMI滤波。(D1～D4)4个二极管(GT1040)组成桥式整流电路,后接C5、C6、R1及L2滤波电路。变压器初级线圈取144T,由公式NBNAUin_min=Uout_max,得次级为18T,辅助绕组为36T,因为7815输入电压范围为15～35V。(2)钳位保护电路。钳位电路主要用来限制高频变压器漏感所产生的尖峰电压并减小漏极产生的振铃电压。在MOSFET管关断瞬间由变压器的漏感引起的尖峰电压较高,将会导致开关电源电路MOSFET管的损坏。R7、R8、D5和C7构成的RCD吸收回路使MOSFET管的漏极电压限制在700V以下,防止MOSFET器件的损坏,另外有效地降低音频噪声,设时D5选高压稳压快速导通二极管UF4006,C7选压电效应很小的聚脂薄膜电容;R7取100～150kΩ。3.4.2(3)数据采样电路。数据采样采用电阻分压采样方式,输入采样电压由R2、R3、R4分压实现。由于输入电压为85～265V宽范围输入,整流滤波后为120～370V。而A/D转换的输入电压最高为2.5V。所以,UmaxR总×R分=UA/d其中,Umax为输入电压最大值。当R总=610kΩ,R分=4kΩ时输入A/D的最大电压约2.43V,经A/D转换后为十六进制F8DH,最小为0.8V经A/D转换后为51EH。同理:输出电压(5～15V),采样电阻R15、R16R17分别为40kΩ、20kΩ、100Ω。经0.5～2.5V的A/D转换后,为十六进制范围是(333H～FFFH)。考虑到效率原因输出短路采样电阻R11取1.5Ω,当电流超过限定值的视为短路,起动保护。D/A、A/D及单片机电路如图3所示。电路从输入端以及输出端进行电压采集,通过A/D芯片MAX1247送入单片机,单片内部经过程序计算把结果通过D/A芯片MAX525转换成控制电压,控制WI1692控PWM最终达到控制输出电压的目的。3.4.3其他硬件电路电路通过单片机输出信号,经过两个锁存器74HC573对共阳极LED进行段选和位选操作。通过单片机编程可达到动态显示输出电压的目的。通过三端稳压器7815和7805获得+15V与+5V的芯片供电电压,为整个电路芯片提供可靠电源。复位及按键是单片机外部扩展电路,两个按键可实现对输出电压的连续可调。4软件设计主程序流程图如图4所示。程序开始,先检测是否过压、欠压,再检测输入功率,由此可以计算出输出电路是否短路。当检测到过压、欠压、短路故障情况,程序会一直检测并且一直让PWM控制芯片关断,同时输出显示电源故障原因。否则起动PWM芯片并显示输出电压。检测键盘动作,键盘动作时控制输出电压相应改变,实现电压可调。5结语本文设计了一款基于AT89C52和IW1692的智能开关电源,通过硬件电路及软件的有效结合,采用数字控制技术,可以较好地解决模拟开关电源的带负载能力差、不能实现精确控制、抗干扰能力差等缺点,达到了对运行中的开关电源进行监测,通过按键进行电压的连续可调,自动显示电源输出,故障自诊断和自动保护。总结：这次课程设计中，完成了基于单片机电源开关的制作工作。其中有苦也有乐。苦的是这个月太累了，好几个晚上忙到凌晨12点左右；乐的是在付出过程中，我学到了许多的东西。在整个设计过程中，经常经常出现这样那样的问题，但是最后还是都得以解决，这个过程是值得我回味的,尤其是当看到自己的设计课题快成功时，心中有一种成就感