一款基于单片机的通信电源设计摘要 通信电源通常称为通信设备的“中枢”，在通信站中具有无法比拟的重要地位随着通信事业的飞速发展、通信设备的不断更新，现代通信技术对通信电源的要求也是越来越高高效率、高频化、模块化、数字化将是未来通信电源的发展方向本文针对传统模拟控制通信开关电源的瓶颈，提出采用基于单片机全数字控制的高频化和高效率的新型通信开关电源的研究，以期在实际应用中得到性能更稳定，体积更小，效率更高的通信直流电源 本次设计的主要目的是实现一款基于单片机的通信开关电源在这次设计文档中，以Buck变换器为研究对象，设计了一个可控的开关电源结合设计要求计算出此变换器系统中元器件的数值，设计硬件电路在研究分析了Buck型DC/DC变换器基础上，使用PID控制策略，通过对Buck变换器模型仿真分析，得出算法具有很好的动态响应，非常适合于对DC/DC变换器动态性能要求比较高的场合为了实现这种控制策略，本文以AVR的ATMega16为核心控制器件，设计电路 关键词：通信电源 Buck变换器 AVR 仿真 目 录第一章 绪论 11.1 引言 11.2 通信设备对通信开关电源的要求 11.3 通信电源的研究现状、水平和发展趋势 21.3.1 国内外研究现状和水平 21.3.2 通信电源发展趋势 41.4 本课题主要研究内容 4第二章 基础理论 62.1 通信开关电源工作原理 62.1.1 开关电源构成 62.1.2 开关电源分类 72.2 PWM开关电源基本原理 72.3 Buck变换器技术 82.3.1 Buck变换器基本工作原理 82.3.2 Buck变换器工作模态分析 92.3.3 Buck变换器外特性 10第三章 通信电源的主电路设计 123.1 通信开关电源硬件设计指标和方案 123.2 输入整流器/滤波器部分的设计 133.2.1 EMI滤波器 133.2.2 单相桥式整流电路 143.3 Buck开关主电路器件的选择 153.3.1 占空比D 153.3.2 滤波电感 153.3.3 滤波电容 173.3.4 开关管Q的选取 183.3.5 续流二极管D的选取 183.4 主电路Buck变换器开环仿真 193.4.1 Buck变换器仿真参数及指标 193.4.2 Buck变换器开环仿真结果及分析 193.5辅助电源选择 20第四章 BUCK变换器模型与MATLAB仿真分析 224.1 Buck变换器小信号模型建立及分析 224.2 控制系统的参数设计 254.2.1 控制系统的传递函数 254.2.2 利用MATLAB对系统进行仿真 254.3 PID算法优化控制 264.3.1 加比例P控制器 274.3.2 加入PI比例积分控制器 274.3.3 加入PID比例积分控制器 284.3.4 加入PID控制器研究与分析 29第五章 通信开关电源的控制系统设计 305.1 ATMega16单片机软件简介 305.1.1 ATMega16单片机的结构和主要性能 305.1.2 ATMega16的引脚 335.1.3 ATMega16的基本系统电路 335.2 ATMega16的AD信号采集 335.3 数字滤波 365.4 PWM控制设计 375.5 PID控制算法 395.6 驱动电路 395.7 显示和键盘模块 415.7.1 显示元件LCD1602 415.7.2 液晶显示电路 415.7.3 键盘控制电路 41第六章 总结与展望 43致谢 44参考文献： 45附 录A 1附 录B 344第一章 绪论1.1 引言通信电源是通信行业的动力，在电信网络中发挥着不可替代的作用，具有无可比拟的重要基础地位。
通信电源又是通信设备系统的心脏，即使是瞬间的中断也是不允许的，因为通信电源系统发生直流供电中断故障是灾难性的，往往会造成整个通信局（站）和通信网络的全部中断和瘫痪通信电源是电信网络中不可缺少的重要组成部分，是一个完整、规模日趋庞大和复杂的交换、传输、数据、信息、业务、智能等通信网的基石和后台保障，因此通信电源直接关系到整个网络的稳定、可靠和畅通，而开关电源因效率高、体积小、重量轻等优点被大量运用在通信设备供电中[1] 目前在小功率开关电源的设计中，普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术使用专用PWM控制芯片具有电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，但它的智能化程度低而且人机交互性能差针对这一现状，本文采用以AVR单片机为控制核心设计出的小功率数控稳压通信开关电源，可以克服以上缺点，从而可以在通信电源中广泛应用1.2 通信设备对通信开关电源的要求通信设备对电源系统的一般要求是可靠、稳定、小型、高效率1）可靠 为了确保通信线路的畅通，除了必须提高通信设备的可靠性外，还必须提高电源系统的可靠性通常一个电源系统要给许多通信设备供电，因此一旦电源系统发生故障，对通信的影响是很大的2）稳定 各种通信设备都要求电源电压稳定，不能超过允许变化范围。
电源电压过高，会损坏通信设备中的电子元件；电源电压过低，通信设备不能正常工作此外，直流电源电压中的脉动噪声也必须低于允许值，否则也会严重影响通信质量3）小型 随着集成电路的迅速发展和应用，通信设备正在向小型化、集成化的方向发展为了适应通信设备的发展，电源装置也必须实现小型化、集成化近年来，工作频率高达几百千赫兹且体积非常小的谐振型开关电源，在通信设备中也得到大量应用4）高效率 随着通信设备容量的日益增加，电源系统的负荷不断增大为了节约电能，必须设法提高电源装置的效率谐振型开关电源效率可达到90％以上，因此采用谐振型开关电源可以大大节约能源1.3 通信电源的研究现状、水平和发展趋势1.3.1 国内外研究现状和水平通信电源是整个电信网的重要组成部分，电源设备质量的优劣，决定着整个电信网能否安全稳定运行[2]通信设备发生故障时，可能会影响部分用户或使接通率下降而电源发生故障时，将会造成通信全部中断，所以人们一直将电源视为整个通信系统的心脏，受到足够的重视通信电源分为一次电源和二次电源两大类，一次电源将交流电转换成稳定的直流电接入通信设备，二次电源一般位于通信设备内部，将一次电源的直流电转换成多种电压值的稳定直流电以供通信设备内部各部分使用。
从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高[3]1976年美国硅通用公司第一个做出了SG1524的脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体积尽管如此，由于功率器件的电压、电流额定值的限制，直到上世纪70年代末开关电源主要用于通信设备的二次电源，而通信设备的一次电源大多数仍采用可控硅整流器（相控电源）在随后的几年中，大功率晶体管（GTR）和功率场效应管（MOSFET）相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加在电路拓扑、功率器件和控制芯片发展的基础上，80年代初，英国研制出48V成套直流电源，作为通信设备的一次电源使用，一个机架包括多个整流模块，交、直流配电模块等，这是当时利用高频直流变换技术为主开发的新成果在1982年国际通信能源会议上，关于这一成果发表的论文受到了普遍重视。
这一新技术，在研究开发和应用方面得到了迅速的发展到80年代中后期，绝缘栅双极晶体管（IGBT）已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管[4]；半桥或桥式变换电路；开关频率约为几十千赫兹，效率约90%左右的高频开关电源随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高 (400-500V)的功率场效应管（VMOS 管）和高电压、大电流的绝缘栅晶体管（IGBT），具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础[5]随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管作用于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制PWM开关电源，效率可达65～70％，而线性电源的效率只有30～40％。
在发生世界性能源危机的年代，这引起了人们的广泛关往线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHz革命随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动等）更需要小型化，轻量化的电源因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等建国初期，我国邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为通信电源在引进原民主德国FGD系列和前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产XZL系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂批量生产，开始用硒整流器装备通信局（站），替换原有的电动发电机组，这标志着我国国产通信电源设备跃到一个新的水平从整体性能看，我国通信电源设备与国外同类产品相比存在一定的差距主要差距在工作的可靠性、稳定性和技术性能等方面因此，组织力量研制开发具有自主知识产权、技术含量高的新一代通信电源，对振兴民族工业，提高产品的质量和市场竞争力，提高开发队伍的研究水平都具有重要意义，同时，也会带来显著经济和社会效益。
1.3.2 通信电源发展趋势（1）开关器件的发展趋势电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源其中，开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫兹级，开关电源的发展为高频变化提供了硬件基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展2）通信直流电源产品的技术发展市场需求发展在需求与技术的共同推动下，通信直流电源产品体现了如下的发展态势：体系架构相当长的一段时间内维持稳定通信直流电源在相当长的时间内还是维持现有的交流配电、整流器模块(并联)、直流配电、监控单元、蓄电池等为主要组成部分的架构；功率变换模式也将维持现有的高频开关模式，暂时不会出现类似从线性电源到开关电源的阶跃性的变化功率密度不断提高通信一次电源的核心部件整流器的功率密度不断提高，推动了通信直流电源整机的功率密度不断提高，但配电器件、蓄电池等密度基本维持稳定，一定程度制约了整机系统的功率密度的提高比率更高的可靠性高可靠性是通信电源的最基本要求随着器件技术、通信电源技术的成熟，以及各通信直流电源设备厂家在可靠性研究上大力投入，通信直流电源产品可靠性呈不断提高的趋势。
3）通信用蓄电池技术研究的。