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1、广西科技大学广西科技大学 毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）说明书 课题名称课题名称 基于单片机控制的开关电源的设计 系 别 职业技术教育学院 专 业 电子信息工程 班 级 电子 Z091 学 号 200802203044 姓 名 石瑜琦 指导教师 刘胜永 2013 年 5 月 10 日 广西工学院毕业设计专用纸 I 摘要 开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（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
2、速性好等优点。 本次设计的主要目的是实现一个单片机控制开关电源，开关电源在日常生活中应用 非常广泛，如今是数字化时代，用单片机实现电子产品十分方便，所以在这次设计中 使用了单片机实现。在这次设计文档中，详细阐述了开关电源与线性电源的比较，方 案论证，总体结构设计，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 0v 到 12v 的可调电压，并显 示实时电压和预置值。 关键字：开关电源 半导体 PID 算法 闭环控制 数控 广西工学院毕业设计专用纸 II
3、AbstratAbstrat Switching power supply is to use the power of modern electronic technology to control power switch (MOSFET; transistor) on-and off time than to stabilize the output voltage of a new power supply.It is in electronics, computers, communications, electrical, aerospace, military and home
4、appliances, is widely used as a power electronic devices.With high power conversion efficiency, small size, light weight, high control accuracy and fast and good. The design of the main aim is to realize a single-chip microcomputer control switch power supply, switching power supply in daily life ar
5、e widely used in digital times, is microcontroller is used electronic products, very convenient, so in this design USES a microcontroller. In this design documents, this paper expounds the switch power compared with linear power supply, scheme comparison, general structure design, through the keyboa
6、rd expected output voltage values, preset d/a converter for output voltage by sampling, the corresponding software control microcontroller output pulse width, switch power for pulse width modulation, the voltage output expected. which constitutes the output 0v to 12v adjustable voltage, and display
7、real-time voltage and the preset value. KeyKey word:word: switchswitch powerpower semiconductorsemiconductor PIDPID algorithmalgorithm closed-loopclosed-loop controlcontrol CNCCNC 广西工学院毕业设计专用纸 目 录 绪论 .1 1 概述 2 1.1 课题研究环境背景.2 1.1.1 绿色节能型开关电源.2 1.1.2 智能化数字电源.2 1.1.3 可编程开关电源.3 1.2 开关电源技术的发展和环境现状.3 1.2.
8、1 线性电源和开关电源.3 1.2.2 电源技术的发展方向.4 1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状.4 1.3 本文研究的主要内容.5 2 系统方案设计 6 2.1 开关电源工作原理.6 2.2 开关电源与线性电源的比较.6 2.2.1 线性电源的缺点6 2.2.2 开关电源的优点7 2.3 系统方案论证.7 2.3.1 方案 1.8 2.3.2 方案 2.8 2.3.3 方案 38 2.3.4 方案分析8 2.3.5 总体结构设计9 2.4 系统难点分析 10 2.4.1 如何提高电源工作频率10 2.4.2 储能电感的绕制11 2.4.3 标度转换技术11 2.5 开关变换器结构分析
9、与选择12 2.5.1 降压变换电路分析12 2.5.2 升压型变换电路14 2.5.3Buck-Boost 型变换器15 2.6 开关电路器件参数选择15 2.6.1 功率开关管的选择15 2.6.2 滤波电容的选择.16 2.6.3 储能电感的选择16 广西工学院毕业设计专用纸 2.6.4 续流二极管的选择17 3 硬件电路设计 .18 3.1 电源主电路设计18 3.1.1 整流滤波电路18 3.1.2 开关变换电路18 3.1.3 保护电路19 3.2 控制电路设计20 3.2.1 反馈电路设计21 3.2.2 显示电路设计21 3.2.3 单片机与键盘接口电路设计22 4 软件设计
10、.24 4.1 总体编程思想.24 4.2 键盘防抖动子程序.24 4.3 显示子程序.25 4.4 采样子程序.26 4.5 中断处理程序设计 27 4.6 PID 控制算法.28 5 系统调试 .30 5.1 硬件模块调试30 5.1.1 整流滤波电路的调试30 5.1.2 AD 转换的调试30 5.1.3 脉冲输出电路的调试30 5.1.4 功率开关管的调试30 5.2 电源性能指标的测试31 5.2.1 开关电源的技术指标31 5.2.2 输出电压的测试32 5.2.3 最大输出电流的测试33 5.2.4 过流保护的测试33 5.2.5 电压调整率的测试34 5.2.6 纹波电压的测试
11、34 6 结论 .35 致谢 36 参考文献 37 附录（子程序和电路图） .38 广西工学院毕业设计专用纸 1 绪论绪论 开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（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。 本次设计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 P
12、ID 算法控制输出电压稳定，构成可输出 0v 到 15v 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。 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
13、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 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
14、。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
15、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问题。 广西工学院毕业设计专用纸 2 1 1 概述概述 1.11.1 课题环境背景课题环境背景 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化， 率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域， 程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源， 更促进了开关电源技术的迅速发展。 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
16、源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术 的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，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泛的发展空间。 推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节 约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 开关电源第一次出现在 1955 年，Royer 电路。实用化在 1966 年前后，电路种类很 多，直到 10 年前，开关电源才被分为几个基本拓扑： 1、BUCK 降压型： 象单管正激、双管正激、全桥、LLC 电路都是 BUCK 的变形； 2、BOOST 升压型： 象 PFC 用得最多， 3、BUCK-BOOST 型： 即可降压，也可以升压，反激电路就是 BUCK-BOOST 的一种理想版本； 4、CUK 电路： 这是美国 CUK 先生在 30 年前的发明，实现零纹波输出的电源，但一直未能成为主 流。 1.1.11.1.1 绿色节能型开关电源绿色节能型开关电源 早期的开关电源因为技术不够成熟，待机功耗大且效率低
