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1、摘要电源技术尤其是开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力 电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制 理论、材料等诸多学科领域。随着开关电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时 产生的误差，会影响整个系统的精确度。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术 革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。本系统基于51单片机为控制单元，以IGBT作为开关器件，可以使变换器工作在较高的 开关频率；采用脉冲变压器作为驱动，减少了所需的驱动电源，采用ADC0809模数转换器， 通过对输出电压不断地采样，反馈输出变化
2、，调整开关关断与导通的频率来改变占空比， 运用调节占空比的大小自动控制输出电压，并且可通过按键、数码显示实现输出电压数控。 此外，系统加以输入过压保护装置，保证系统稳定可靠地工作。关键词：开关电源；AT89S51；占空比；保护目录引言11主回路简介21.1主回路电路原理21.2主回路各部分简介21.2.1交流调压回路31.2.2整流滤波回路31.2.3降压斩波电路 31.2.4控制电路及PWM驱动电路32直流稳压电源的设计 42.1电源变压器42.2单相不可控整流电路42.3滤波电路43降压斩波电路设计 53.1主电路设计53.1.1工作过程63.1.2输出电压的计算63.1.3控制方式63.
3、2负载电流73.2.1电流断续74控制电路及其他辅助电路设计84.1控制电路设计84.2采样电路设计84.3驱动电路设计84.4过压保护设计85结论9设计体会10参考文献11引言以开关电源为代表的各种电力电子装置给工业生产和社会生活带来了极大的进步，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。开关电源广泛 用于各种电子设备、仪器
4、以及家电等，如台式电脑和笔记本电脑的电源，电视机、DVD播 放机的电压，以及家用空调机、电冰箱的电脑控制电路的电源，但功率仅有几瓦。通信交 互机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达到数千瓦至数百千 瓦。工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电 源为其控制电路供电。在与单片机结合控制后，开关电源可采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模 块的智能化程度更高，性能更完美，使得开关电源控制更加灵活、简便。伴随着单片机技 术和电力电子技术的迅猛发展，智能化的开关电源会更加广泛的应用并且受到越来越多重 视与关注。1主回路简介1.1主回路电路原理该
5、系统采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量的占空比来改变 输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了 能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ADC0809进行模数转换，间接用单 片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。利用51系列单片机为主控制器， 通过键盘来设置直流电源的输出电流，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。 单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，防止过电压的危害，输出电压经过电流/电压 转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理，通过数 据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成
6、稳定的电压源。其组成框图如图1-1所示，其主 电路如图1-2所示。工频TR2220vcnuQ2IRG4BC20SBR22W04GXTAL1XTAL2RSTPSEN ALE EAP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4R1.5P1.6POO/ADO FO 1/AD1 P0 2/AD2 PO 3/AD3 P0 4/AD4 P0 5/AD5 P0 6/AD6 PO 7/AD7P2.O/A8 P2.1/A9 P2 2/A10 P2 3TA11 P2.4/A12 P2 5/A13 P2 6/A14 P2 7/A15P3 0/RXD P3.1/TXD P3 2/INT0 P3.3/iNT1P3 4/T0
7、P3,5ni P3 6/WRVREFVREF(+)GNDVCG2-8LSBCLOCK2-7OUTPUT ENABLE2-6EOC2-5START2 -42-3IN72-2IM62-1MSBINSIN4ALEIN3ADDCIH2ADDBIN1ADDAIND4-3-2128-2726ADC0609OJAU2:A74LS04U2：B74LS04ATB9C51CLOCK= 12MHz15HET7厂图1-2 开关电源主电路图2直流稳压电源设计2.1电源变压器电源变压器将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，是降压变压器，它将电网 220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由
8、变压器的副 边电压确定。2.2单相不可控整流电路单相不可控整流电路是将变压器次级交流电压变成单向的直流电压，它包含直流成 份和许多谐波分量。工作原理图如图2-1所示。C1XXGSQrnF：D3D44J1N300OJ1N3880 D1D2J1N3SSOJ1N38801图2-1单相不可控整流电路原理图该电路的基本工作过程是，在U2正半周过零点至wt=0期间，因U2Ud，故二极管 均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时Ud下降。至wt=0之后， U2将要超过Ud，使得VD1和VD4开通，Ud=U2，交流电源向电容充电，同时向负载R 供电。2.3滤波电路电容主要是“吸收”纹波，具有平滑
9、电压波形的作用。滤波电路滤除脉动电压中的谐 波分量，输出比较平滑的直流电压。该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。3降压斩波电路设计直流一直流交变电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括 直接直流交流电路和间接直流交流电路。直接直流交流电路也称斩波电路，它的功能是将 直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直流交流电路中增加了交流环 节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流一直 流交流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路， 升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩
10、波电路和Zeta斩波电路。利用不同的基本斩波电 路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相 同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多重斩波电路。3.1主电路设计降压斩波电路的原理图如图3-1所示，该电路使用一个全控器件Q1，图中为IGBT， 也可以使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。图3-1中，为在 Q1关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管D1。斩波电路主要用于电子电 路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反 电动势，如图中V2所示。若负载中无反电动势时，只需令V2=0即可。Uge图3-2
11、降压斩波电路工作波形3.1.1工作过程（1）在t=0时刻驱动Q1导通，电源V1向负载供电，负载电压Uo等于电源电压， 负载电流按指数曲线上升。（2）当t=t1时刻L控制Q1关断，负载电流流经二极管D1续流，负载电压Uo近似 为零，负载电流呈指数曲线下降。（3）至下一个周期T结束，再驱动Q1导通，重复上一个周期的过程。当电路工作于 稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。3.1.2输出电压的计算如图3-2所示，负载电压的平均值为Uo= E= tonE=aEton+toffT式中，ton为Q1处于导通的时间；toff为Q1处于断态的时间；T为开关周期；a为导 通占空比，简称占空比或导通比。可以
12、看出，可以通过改变a占空比的大小从而来改变输出电压的大小。3.1.3控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：（1）保持开关周期T不变，调节开关周期T，称为脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调 宽型。（2）保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。（3）ton与T都可调，使占空比改变，称为混合型。3.2负载电流当驱动导通时，负载电流通过电感进行储能，负载电流i0按指数曲线上升；当驱动关 断时，电感释放能量，由电感产生的电流通过续流二极管经过负载，电流呈指数下降。负载电流平均值为Io= U0EmR3.2.1电流断续若负载中L值较小，在Q1关断后，
13、到了 t2时刻，如图3-3所示，负载电流已衰减至 零，出现负载电流断续的情况。图3-3电流断续的波形由于电感电流连续工作模式下，变换器有很好的控制特性；电感电流不连续工作模式 下，电感放完电，电感与电容容易产生振荡，从而影响输出电压的纹波；又相同的占空比， 输出电压在不连续模式工作模式下比大，效率高。综上所述，最理想的情况是降压斩波电 路工作于临界状态，所以我们采用两种方法：（1）增大电感值，增加电感储能，延长放电时间（2）提高开关工作频率，减小开关断开的时间使Q1工作在电流连续状态。4控制电路及其他辅助电路设计4.1控制电路设计控制电路以AT89S51单片机为控制核心，构建单片机的最小系统，
14、通过对输出电压不 断的采样处理，进而产生驱动电路的PWM脉冲触发信号，改变开关通断的频率进而来改 变输出电压的大小，同时也对电路进行监控保护作用，它还通过外接键盘和数码管来对输 出电压进行显示与操控。AT89S51单片机的最小系统如图4-1所示。C6皿 1uXTAL1XTAURST-t-T-t-lPOCVADO PO 1/AD1 P02/AD2 PO3/AD3 P0 4/AD4 PO5/AD5 POe/AD PO7/AD7P2 0/A8 P2 1/A9 P2 2/A10 P2 3/A11 P2 4/A12 P2 5/A13 P2WAU P2 7/A15P3ORXD P3 1fTXD P3 2ANT0 P3 3/INT1P3 4T0 P3VT1P3W P3 7/RDAT89C51 CLOCK=12MH1图4-1AT89S51单片机的最小系统4.2采样电路设计采样电路主要是由ADC0809模数转换器完成，A/D转换器的作用就是把模拟量转换 为数字量，以便于单片机进行数据处理。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换， 由单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码 来决定所选的通道，ADC0809完成一次转换的时间与加在CLK引脚上的时钟频率有关， 在单片机读取ADC的转换结果时，一般采用外
