【正文】 ..................................................... 14 圖 35 推挽式開關(guān)變壓器電源各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形 .................................................... 14 圖 36 典型的 MOSFET 曲線 ............................................................................................................. 19 圖 37 2110 驅(qū)動(dòng)電路 .......................................................................................................................... 20 圖 38 IR2110 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) .................................................................................................................. 21 圖 39 用于驅(qū)動(dòng)板橋的電路 ............................................................................................................... 21 圖 310 產(chǎn)生共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)像兩只功率輸出的波形 ............................................................................. 23 圖 311 PWM 簡(jiǎn)單的 LC 濾波網(wǎng)絡(luò) .................................................................................................... 23 圖 312 Vin 和 Vout 波形圖 ................................................................................................................. 24 圖 313 Vout 與占空比 D 的關(guān)系 ........................................................................................................ 24 圖 314 電壓反饋回路及 PWM 的響應(yīng)波形 ...................................................................................... 26 圖 315TL494 內(nèi)部原理圖 .................................................................................................................. 27 圖 316 TL494 輸出波形圖 ................................................................................................................. 28 圖 317 單端輸出和推挽輸出連接方式 ............................................................................................. 29 圖 318 誤差放大器和電流檢測(cè)放大器連接圖 ................................................................................ 29 圖 319 ADC0832 管腳圖 .................................................................................................................... 30 圖 320 ADC0832 與單片機(jī)的接口電路 ............................................................................................ 31 圖 321 四位數(shù)碼顯示電路 ................................................................................................................. 32 圖 41 顯示子程序流程圖 ................................................................................................................... 36 圖 42 單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 ....................................................................................................... 38 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 插表清單 表 3 1 EE 型磁芯參數(shù) ........................................................................................................................ 16 汪強(qiáng)：基于單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì) 4 第 1 章緒論 開關(guān)電源工作原理 開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)電源的工作原理可以用圖 11 進(jìn)行說明。圖中輸入的直 流不穩(wěn)定電壓 Ui 經(jīng)開關(guān) S 加至輸出端， S 為受控開關(guān)，是一個(gè)受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管，若使開關(guān) S 按要求改變導(dǎo)通或斷開時(shí)間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。這個(gè)脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。 U iSU i0T O N U 0t0t0( b )V( a )U 0 (a) 電路圖； (b) 波形圖 圖 11 開關(guān)電源的工作原理 為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下 ` TTD ON? (11) 式中， T 表示開關(guān) S 的開關(guān)重復(fù)周期； TON 表示開關(guān) S 在一個(gè)開關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間。 開關(guān)電源直流輸出電壓 Uo 與輸入電壓 Ui 之間有如下關(guān)系： Uo=UiD (12) 由式 (11)和式 (12)可以看出，若開關(guān)周期 T 一定，改變開關(guān) S 的導(dǎo)通時(shí)間 n0T ，即可改變脈沖占空比 D，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 T 不變，只改變 n0T 來實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。 由于 PWM 式的開關(guān)頻率固定，輸出濾波電路比較容易設(shè)計(jì)，易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，因此 PWM 式開關(guān)電源用得較多。若保持 n0T 不變，利用改變開關(guān)頻率 f=1/T 實(shí)現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓 Uo 穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。由于該方式的開關(guān)頻率不固定，因此輸出濾波電路的設(shè)計(jì)不安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。既改變 n0T ，又改變 T，實(shí)現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在各種開關(guān)電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式均有 應(yīng)用 。 開關(guān)電源的組成 開關(guān)電源的基本組成所示。其中 DC/DC 變換器用以進(jìn)行功率變換，它是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動(dòng)器是開關(guān)信號(hào)的放大部分，對(duì)來自信號(hào)源的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求；信號(hào)源產(chǎn)生控制信號(hào)，該信號(hào)由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是 PWM 信號(hào)、 PFM 信號(hào)或其他信號(hào)；比較放大器對(duì)給定信號(hào)和輸出反饋信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開關(guān)信號(hào)的幅值、 頻率、 波形等，通過驅(qū)動(dòng)器控制開關(guān)器件的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動(dòng)、 過流過壓保護(hù)、 輸入濾波 、 輸出采樣、 功能指示等電路。反饋回路檢測(cè)其輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差通過誤差放大器進(jìn)行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時(shí)間，從而調(diào)整輸出電壓。 DC/DC 變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的 PWM 變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。開關(guān)電源的負(fù)載變換瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端 LC 濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關(guān)頻率、 降低輸出濾波器 LC 的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。 開關(guān)電源的特點(diǎn) 開關(guān)電源具有如下特點(diǎn)： (1) 效率高。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整 管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在 80%～ 90%，高的可達(dá) 90%以上 ； (2) 重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量只有同容量線性電源的 1/5，體積也大大縮小了 ； (3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的交流輸入電壓在 90~270 V 內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓的變化在 177。2%以下。合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率 ； （ 4）安全可靠。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè)置各種形式的保護(hù)電路，因此當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保障其功 能可靠 ； (5) 功耗小。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在 20 kHz 以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是，由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境而損壞，因此采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性 [2]。 開關(guān)電源發(fā)展方向 開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化、小型、薄型、輕運(yùn)化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國(guó)外目前都在致力于同步開發(fā)新型高智能元器件，特別是改善 二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用 SMT 技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。 （ 1）高效 電源管理從以前的線性設(shè)計(jì)到當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，是高效電源發(fā)展的一種集中體現(xiàn)。各國(guó)積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源規(guī)范，也是推動(dòng)高效節(jié)能電源、低待機(jī)能耗產(chǎn)品應(yīng)用的主要?jiǎng)恿ΑＳ绕涫俏磥碓絹碓蕉嗟闹袊?guó)產(chǎn)品將出口到國(guó)外，需要滿足歐美等國(guó)的電源標(biāo)準(zhǔn)，這將促進(jìn)中國(guó)企業(yè)對(duì)高效電源的需求。對(duì)于便攜式電源管理，效率尤為重要。 汪強(qiáng)：基于單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì) 6 （ 2）低功耗 隨著各種整機(jī)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)和社會(huì)對(duì)環(huán)保問題 的日益重視，功耗問題逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)，電源管理和電源控制市場(chǎng)成為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最為活躍的領(lǐng)域之一，降低電子產(chǎn)品功耗這一需求，將推動(dòng)電源管理器件市場(chǎng)的穩(wěn)步發(fā)展。 （ 3）智能化 運(yùn)用電源管理程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)電控制也是非常有效而可行的方法，目前大多數(shù)筆記本，普遍采用這種智能節(jié)電管理技術(shù)，它是利用軟件的方法對(duì)各主要耗電部件的用電狀態(tài)控制，對(duì)暫不工作的部件減少甚至停止供電。 （ 4）高集成 便攜式應(yīng)用的空間十分有限，這就迫使電源供應(yīng)商把更多功能集成到更小的封裝內(nèi)，或者把多路電壓轉(zhuǎn)換集成到單芯片封裝內(nèi)。在日益 競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，提供高效整合體積的解決方案勢(shì)在必行，且應(yīng)以整體電源方案為用戶降低成本，提升效能與可靠度。 （ 5）多功能 2022 年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司 (NS)宣布推出一款可為先進(jìn)應(yīng)用及通信處理器提供供電的電源管理產(chǎn)品。它具有可編程的靈活性，可為采用 ARM 技術(shù)的應(yīng)用及通信處提供穩(wěn)定的供電。它的電源管理單元 Flex PMU 是一個(gè)單芯片的解決方案，設(shè)有一個(gè)在一起的供電區(qū)。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 方案論證 開關(guān)電源具有較快的發(fā)展，從而產(chǎn)生了不同的設(shè) 計(jì)思路。開關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示，本設(shè)計(jì)通過對(duì)不同的方案的對(duì)比得出了最佳方案的設(shè)計(jì)。 C 1V D 1輸 入 整 流 濾 波 器TV T功 率 開 關(guān) 管 及 高 頻 變 壓 器V D 2LC 2輸 出 整 流 濾 波 器UU oP W M比 較 器振 蕩 器U r e f誤 差 放 大 器P W M 調(diào) 節(jié) 器直 流 電 壓2 0 k H z ~ 1 M H z5 0 H z