基于单片机控制的开关电源毕业设计论文

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1、毕业论文 目 录 引言.1 1 概述1 1.1 课题来源及意义.2 1.2 课题基本要求.2 1.3 课题相关背景.2 2 开关电源方案设计3 2.1 开关电源工作原理.3 2.2 开关电源与线性电源的比较.4 2.3 方案论证.4 2.3.1 方案 1.4 2.3.2 方案 2.5 2.3.3 方案 3.5 2.3.4 方案分析5 2.3.5 总体结构设计5 2.4 难点分析.6 2.4.1 如何提高电源工作频率6 2.4.2 储能电感的绕制7 2.4.3 标度转换技术7 2.5 控制技术选择.8 2.6 开关变换器结构分析与选择.9 2.7 开关电路器件参数选择.12 2.7.1 功率开关

2、管的选择12 2.7.2 滤波电容的选择.13 2.7.3 储能电感的选择13 2.7.4 续流二极管的选择14 3 硬件电路设计14 3.1 电源电路设计.14 3.1.1 整流滤波电路14 3.1.2 开关变换电路14 3.1.3 分压电阻的计算15 3.1.4 保护电路15 3.2 控制电路设计.16 毕业论文 3.2.1 反馈电路设计17 3.2.2 四位数码显示电路设计18 3.2.3 单片机与键盘接口电路设计19 4 软件设计.19 4.1 总体编程思想.20 4.1.1 键盘防抖动子程序20 4.1.2 数码显示子程序21 4.1.3 采样子程序22 4.1.4 中断处理程序设计

3、23 4.1.5PID 控制算法.24 4.1.6 数字滤波24 5 系统调试.25 5.1 硬件模块调试.25 5.1.1 整流滤波电路的调试25 5.1.2AD 转换的调试25 5.1.3 脉冲输出电路的调试25 5.1.4 功率开关管的调试26 5.2 电源性能指标的测试.26 5.2.1 开关电源的技术指标26 5.2.2 输出电压的测试27 5.2.3 最大输出电流的测试28 5.2.4 过流保护的测试28 5.2.5 电压调整率的测试28 5.2.6 纹波电压的测试29 6 结论29 谢辞.29 参考文献30 附录.31 毕业论文 引言 开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管

4、（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。 本文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 3v 到 12v 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，并该系统可以给芯片提供工作电

5、压，加以扩展可构成输出正负 3 到 12 伏的双极 性电源。 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

6、 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

7、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，同时这些干扰会污染市电电网，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 毕业论文 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

8、问题。 1 概述 1.1 课题来源及意义 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动 控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理 论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发 展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通讯、电子仪器、计算机、 工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源 起着关键作用。 -当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数的变 换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能 够实现大功率电能

9、的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此， 电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技 术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提 供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。 -电源，如今已经是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到高尖端的科技，都 离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中不断的发展起来的。 电源的重要性不可否认，但是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。

10、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，使用数码管显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制 作。 1.2 课题基本要求 （1）设计、制作开关电源； （2）使用单片机构成嵌入式控制

11、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）掌握开关电源的设计方法； 毕业论文 （4）掌握单片机软件编程方法； （5）掌握 PID 控制原理； 1.3 课题相关背景 我国的三极管直流变换器及开关电源的研制工作开始于 60 年代初期，到了 60 年 代中期进入了实用阶段，紧跟着 70 年代初开始研制无工频变压器开关电源。1974 年研 制成功了工作频率为 10 千赫兹、输出电压为 5v 的无工频开关电源。近 30 年来，许多 研究所、工厂及高校已研制出多种型号的开关电源，并广泛的应用于电子计算机、通 信、家电等许多方面，取得了很好的效果。工作频率为 100 千赫兹-200 千

12、赫兹的高频 开关电源于 80 年代初期开始研制，90 年代初试制成功，目前已经是非常成熟的电子产 品。按调制方式划分可以分为： （1）脉宽调制型：振荡频率保持不变，通过改变脉冲的宽度来改变和调节输出电 压的大小。通过采样电路、耦合电路构成闭合回路，来稳定输出电压。缩写为 PWM(Pulse Width Modulation)。 （2）频率调制型：占空比保持不变或关断时间不变，改变振荡器的频率来稳定并 调节输出电压幅度。缩写为 PFM（Pulse Frequency modulation） 。 （3）混合调制型：通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并输出电压幅度。 通常采用的是脉宽调制型和混合调

13、制型两种调制方式。在脉宽调制中因为频率不 变，所以无论是对电路中的磁性元件及晶体管的测试和设计都很方便，而且对射频干 扰的抑制也变得比较容易。混合调制则因其线路简单，也得到了广泛的应用。相对而 言，频率调制较少采用。本文中采用的是脉宽调制型。 2 开关电源方案设计 2.1 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

14、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。 毕业论文 整流 滤波 电路 开关管滤波电路 采样电路比较放大脉冲调宽 输出 输入 基准电压 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。开关电源是在线性电 源的基础之上发展起来的，并在很大程度上克服了线性电

15、源的缺陷，但其自身也有一 定的不足。 2.2 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

16、增加了电源的体积和重 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。 毕业论文 （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