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1、摘 要【摘要】本次设计的主要目的是实现一个开关电源，开关电源在日常生活中应用非常广泛，比如电视机、电脑、冰箱以及其他常用的电子产品都需要开关电源，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，并附以相关电路图表示，最后生成相关了PCB电路图【关键词】线性，半导体，开关，储能，转换，控制，滤波，分压，抖动【Abstract】This design of Zhuyaomude is to achieve a switching power supply, switching power
2、 supply is widely used in daily life in, such as televisions, computers, Bingxiangyiji other Changyong of electronic products require power supply, Ru Jin Hua Shi Dai digital, electronic products achieved with Dan Pianji very convenient, so the design used in this MCU. In this design document, detai
3、led in the switching power supply with linear power supply comparison, program demonstration, the overall structural design, along with the relevant circuit that generates the final circuit diagram related to the PCB【Keywords】 Linear, semiconductors, switches, energy storage, conversion, control, fi
4、ltering, partial pressure, jitterI目录目 录摘 要I绪 论1第一章 概述21.1 课题来源及意义21.2 课题基本要求2第二章 开关电源方案设计42.1 开关电源工作原理42.2 开关电源与线性电源的比较42.2.1线性电源的缺点42.2.2开关电源的优点52.3 方案论证52.3.1方案152.3.2方案262.3.3 方案362.3.4方案分析62.3.5总体结构设计62.4 难点分析72.4.1如何提高电源工作频率72.4.2储能电感的绕制82.4.3标度转换技术92.5 控制技术选择102.5.1电压型控制技术102.5.2 电流型控制技术102.5.
5、3电流控制型技术的优势112.6 开关变换器结构分析与选择112.6.1降压变换电路分析112.6.2升压型变换电路132.6.3 Buck-Boost型变换器132.7 开关电路器件参数选择142.7.1功率开关管的选择142.7.2 滤波电容的选择152.7.3储能电感的选择152.7.4续流二极管的选择16第三章 硬件电路设计173.1 电源电路设计173.1.1整流滤波电路173.1.2开关变换电路173.1.3分压电阻的计算183.1.4保护电路183.2 控制电路设计193.2.1反馈电路设计203.2.2四位数码显示电路设计213.2.3单片机与键盘接口电路设计22第四章 软件设
6、计234.1 总体编程思想234.1.1键盘防抖动子程序234.1.2数码显示子程序244.1.3采样子程序254.1.4中断处理程序设计264.1.5 PID控制算法274.1.6数字滤波28第五章 系统调试295.1 硬件模块调试295.1.1整流滤波电路的调试295.1.2AD转换的调试295.1.3脉冲输出电路的调试295.1.4功率开关管的调试295.2 电源性能指标的测试305.2.1开关电源的技术指标305.2.2输出电压的测试315.2.3最大输出电流的测试325.2.4过流保护的测试325.2.5电压调整率的测试325.2.6纹波电压的测试33第六章 结论34参考文献35致
7、谢36附 录37附 录绪 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
8、优化控制效果，并该系统可以给芯片提供工作电压，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
9、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。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
10、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问题。39第一章 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
11、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
12、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。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
13、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；（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
14、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PF
15、M（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。第二章 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
