基于单片机控制的DC-DC变换器的设计

1、基于单片机控制的DC-DC变换器的设计 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 系统背景 . 1 1.1.1 绿色节能型开关电源 . 1 1.1.2 智能化数字电源 . 1 1.1.3 可编程开关电源 . 2 1.2 电源技术的发展与方向 . 2 1.2.1 线性电源和开关电源 . 2 1.2.2 电源技术的发展方向 . 3 1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状 . 4 第二章 系统的总体设计 . 5 2.1 方案论证 . 5 2.1.1 DC-DC主回路拓扑结构 . 5 2.1.2 控制方法及实现方案 . 6 2.2 主体思路 . 6 2.3 软件设计思路 . 8 2.3.1软件系统的逻辑控

2、制 . 9 2.3.2软件系统的结构 . 9 2.4软件设计部分概述 . 9 2.4.1 程序设计方法 . 10 2.4.2 软件设计步骤 . 10 第三章 系统硬件设计 . 11 3.1 隔离式高频开关电源 . 11 3.2 输入电路设计 . 12 3.2.1 电压整流技术 . 12 3.2.2 输入滤波电容 . 12 3.2.3 输入浪涌保护器件 . 13 3.2.4 输入尖峰电压保护 . 14 I 3.3 功率变换电路设计 . 14 3.3.1 隔离全桥推挽变换电路 . 14 3.3.2 推挽式变压器开关电源储能滤波电感参数的计算 . 16 3.3.3磁芯的选择 . 19 3.3.4计算

3、脉冲信号的最大占空比Dmax . 19 3.3.5计算一次绕组的电感量LI . 20 3.3.6确定一次绕组的匝数N1 . 20 3.3.7确定自馈绕组N2和二次绕组N3的匝数 . 20 3.3.8计算空气隙? . 21 3.3.9设计注意事项 . 21 3.4 功率管MOSFET及其驱动 . 21 3.4.1 功率管MOSFET . 21 3.4.2 驱动电路 . 23 3.4.3 死区时间的设计 . 27 3.5 输出电路设计 . 28 3.5.1 PWM滤波电路设计 . 28 3.5.2 检测保护电路设计 . 30 3.6 PWM控制电路 . 31 3.6.1 TL494的结构和性能 .

4、 31 3.6.2 输出电压直接分压作为误差放大器的输入 . 34 3.7 单片机控制模块 . 35 3.7.1 C8051F350系列单片机特点 . 35 3.7.3 STC12C5616AD特点 . 37 3.7.4 STC12C5616AD应用 . 37 3.7.6 可调式精密并联稳压器TL431 . 39 3.7.7 单片机双机串行通信 . 40 3.8 人机交换模块 . 41 3.8.1编码电位器输入模块 . 41 3.8.2 LED显示器的显示方式 . 42 II 3.8.3 数码管显示电路原理 . 42 3.8.3 74HC595芯片性能 . 42 第五章 系统调试 . 43 4

5、.1 系统调试 . 43 4.1.1 系统调试的一般步骤 . 44 第六章 总结与建议 . 46 结束语 . 47 致谢 . 49 附录1部分程序代码 . 50 附录2硬件附图 . 57 III 第一章 绪论 1.1 系统背景 开关电源已有几十年的发展历史。1955年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；1957年发明的自激推挽式双变压器，1964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。1977年脉宽调制（PWM）控制器集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。与此同时，开关电源的频率也从最初的2

6、0KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。 1.1.1 绿色节能型开关电源 目前，国外许多著名的IC厂家都在大力开发低功耗，节能型开关电源集成电路。例如，美国PI公司采用EcoSmart节能技术，开发的TOPSwitch-GX等系列的单片开关电源。PI公司最近宣布，由于使用该公司EcoSmar技术的单片开关电源IC，可为全球消费者节约大约20亿美元大的电费。荷兰Philips公司推出的TEA1520等系列的绿色芯片，都将高效节能放在重要位置。与此同时，绿色节能电源的

7、国际标准也被普遍采用。例如，美国早在1992年就制定了“能源之星”计划，以降低开关电源的空载功耗。美国加州能源委员会（CEC）制定的强制性节能标准已从2006年7月1日开始执行，它要求电子产品必须大幅降低待机功耗和空载功耗。 1.1.2 智能化数字电源 21世纪初问世的智能数字电源系统以其优良特性和完备的监控功能，越来越引起人们的关注。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，数字电源还可以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。数字电源的推广，为实现智能化电源系统的优化设计创造了有力条

8、件。 数字电源的特点有下面几点。它是以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，采用“整合数字电源”技术实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。便于构成分布式数字电源系统。 1 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

9、可编程开关电源。 1.2 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(85V265VAC)工作，会导致线性电源的效率更低。 开关电源

10、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种电流模式PWM开关电源控制器的设计得不到很大的进步。但是最近这几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的问世，导致了中

11、小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热保护电路、限流电路、过/欠压保护电路等。 通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高，转换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整 2 个电子系统的体积和重量。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感

12、和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。如果把工作频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积重量可以下降至工频设计的5-10%，其主要材料可节约90%或更高。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。因此，开关电源代替线性电源是大势所趋1。 1.2.2 电源技术的发展方向 开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确

13、保开关电源的轻、小、薄。 （1）高效 电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展的一种集中体现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效率尤为重要。 （2）低功耗 随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步发展。 （3）智能化 运用电源

14、管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大多数笔记本，普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。 （4）高集成 便携式应用的空间十分有限，这就迫使电源供应商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本，提升效能与可靠度。 （5）多功能 3 2005年，美国国家半导体公司(NS)宣布推出一款可为先进应用及通信处理器提供供电的电源管理产品。它具有可编程的灵活性，可为采用ARM技术的应用及通信处提供稳定的供电。

15、它的电源管理单元Flex PMU是一个单芯片的解决方案，设有一个在一起的供电区。 1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状 电源管理始终是模拟IC市场最亮的看点，占到整个模拟IC市场31.2%的份额。据研究机构预测，2008年全球电源管理芯片销售额将上升至295亿美元，2003年到2008年的年复合增长率为12.7%，功率模拟器件将持续强劲地增长，PC、手机、数码相机、MP3以及数字电视成为最主要的增长市场。从应用领域看，电源管理芯片市场的焦点集中在便携式产品、消费类电子、计算机、通讯和网络设备应用领域，同时工业设备、汽车电子对电源管理芯片的需求也呈上升趋势，这些需求让电源管理芯片市场倍添活力

16、。由于人们在生活和工作中的移动性越来越强，对手机、数码相机、笔记本电脑、MP3播放器等便携式产品的需求将越来越大，预计2010年全球所有便携式产品的出货量将达到45亿个，这些产品构成了电源管理芯片巨大的需求市场。另外，由于便携式产品中彩屏、音视频、GPS等功能的日益多样化，对电源管理芯片的要求也日益提高，如便携式产品的空间十分有限，这就要求电源管理芯片厂商把更多的功能集成在更小封装内。 我国于1974年研制成功了工作频率10KHz，输出电压为5V的无工频降压型开关电源。近20多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压

17、型开关电源，并应用于电子计算机、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100KHz-200KHz的高频开关于上世纪80年代初期己开始研制，90年代初就已研制成功，并逐渐走向实用阶段进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。 4 第二章 系统的总体设计 2.1 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。 50Hz直流电压20kHz1MHz直流电压 Uo 图2.1 开关电源的一般框图

18、 2.1.1 DC-DC主回路拓扑结构 方案一：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。 图2.2 非隔离式DC-DC结构 方案二：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。 5 图2.3 隔离式DC-DC结构 2.1.2 控制方法及实现方案 方案一:采用脉冲频率调制FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输出电压的调节

19、范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。 方案二：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2。 2.1.3 提高效率的方法及实现方案 针对提高效率的问题，使用了如下两种方案。 方案一：降低开关变压器次级的输出整流管VD2的损耗，进而提高变换效率。可以选择肖特基二极管，其正向传输损耗低，而且不存在反向恢复损耗。 方案二：使斩波器斩波频率与开关变压器的频率相匹配。改变控制器的开关频率使得开关变压器的磁损耗达到最

20、小，以提高电源的转换效率。 2.2 主体思路 采用C8051F350单片机和STC12C5616AD单片机实现对基于控制PWM的不对称半桥式功率变换器的数字控制， 实现直流输出电压的设定和步进的连续调整，最大输出电流为5A。同时实现了对输出电压和输出电流的显示等功能。系统主要包括控制开关电源模拟电路部分和单片机组成的数控部分。系统框图如图2.4所示 6 图2.4系统总框图 输入电路部分：首先由一个压敏电阻对输入的市电进行尖峰电压限幅，然后由一个扼流线圈对输入浪涌电流进行限流，再由全桥整流滤波电路将输入电压转化成300V直流电压。 功率变换部分：本设计选用隔离式开关变压器，隔离式开关电源都是用高

21、频变压器作为主要隔离器件，并通过MOSFET功率管对300V直流电压进行PWM斩波，送入到高频开关变压器进行功率的变换及传送。 驱动电路部分：高压侧MOSFET选用IRFPF50，低压侧选用IRF540和IRF5305。MOSFET的工作需要有专用的驱动电路，由MOSFET的各个参数算出选择IR2110作为MOSFET的驱动电路。IR2110是多通道，输出电流为2A的MOSFET驱动芯片，其各个指标都满足本设计的要求。 输出电路部分：高频开关变压器变送过来的高频脉动电动势不能直接用于输出，需要对功率PWM波进行高频整流滤波。由PWM控制器的输出PWM的频率可知，整流管的开关频率必须大于500K

22、Hz。又由于输出电流较大，整流管的压降损耗严重，因此要选择低导通压降的快恢复二极管。经过元器件的选型与比较，本设计选用MUR3060PT肖特基二极管。MUR3060PT肖特基二极管正向传输损耗低，而且不存在反向恢复损耗。 PWM控制部分：由开关电源专用控制芯片TL494控制PWM的输出，TL494的振荡频率由其5、6引脚的RC值决定，约为f=1.1/（RC）。振荡器产生的锯齿形振荡波送到PWM 比较器的反相输入端，脉冲调宽电压送到PWM比较器的同相输入端，通过PWM 比较器进行比较，输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494 输出的脉冲宽度也随之改变， 7 从而改变开关管的导通时间To

23、n ，达到调节、稳定输出电压的目的 反馈检测部分：输出电压经过电压采样、电流采样后送到TL494的反馈输入端，从而达到控制脉冲宽度的调制。脉冲调宽电压可由3 脚直接送入的电压来控制，也可分别从两个误差放大器的输入端送入，通过比较、放大，经隔离二极管输出到PWM 比较器的正相输入端。两个放大器可独立使用，如分别用于反馈稳压和过流保护。 信号给定部分：本设计选用两个单片机同时协调系统的工作。其中C8051F350单片机主要是对功率电路的控制和对输出电压、电流的采样反馈；STC12C5616AD单片机则对编码电位器的输入进行解码和数码管的显示。信号的给定则用PWM的方式进行D/A输出，对PWM进行二

24、阶滤波后，信号的输出电压Uo=DU，其中U为PWM波形的高电平值。PWM选用16位计数方式，则D/A的分辨率为1/65535，此分辨率完全满足了本设计的要求。两个单片机之间的通信则选用单片自带的UART，UART具有布线简单，编程简单的优点，同时自定义了一些通信协议。 人机交换部分：电压值的输入由编码电位器编码输入。编码电位器与STC12C5616AD单片机相连，编码电位器在工作时会产生一系列的编码，STC12C5616AD单片机对I/O口电平进行定时采样，以识别出编码电位器的编码，再由单片机按编码电位器的编码方法进行解码，从而获得输入的电压值。显示部分则由STC12C5616AD单片机将数据

25、由I/O口按74HC595的读写时序串行输出，74HC595将输出的数据串-并译码后直接驱动数码管的显示。 3 2.3 软件设计思路 软件设计完成的主要功能有三部分：设置输出电压；检测输出电压；显示输出电压。 软件流程说明：当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到STC12C5616AD单片机，再转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有旋钮的旋转，如果高位旋钮被旋转，电压大小步进变化，电压数据加（减）1，相对应输出电压（POWER-OUT引脚）以1V或者0.1V为单位改变大小，如果低位旋钮被旋转按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWER-OUT引脚）以0.001V或者0.01V为单位改变大小，保存设置电压数据。保存该电压编号，读对应电压，并将电压值送到STC12C5616AD单片机并且用数码管显示。 8 2.3.1软件系统的逻辑控制 从本系统的硬件原理图（见附录）中可以分析出软件系统的逻辑控