【正文】 . 14 圖 35 推挽式開關(guān)變壓器電源各主要工作點的電壓、電流波形 ............................................. 14 圖 36 典型的 MOSFET 曲線 ................................................................................................ 19 圖 37 2110 驅(qū)動電路 ............................................................................................................ 20 圖 38 IR2110 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ..................................................................................................... 21 圖 39 用于驅(qū)動板橋的電路 .................................................................................................. 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放大器連接圖 ....................................................................... 29 圖 319 ADC0832 管腳圖 ...................................................................................................... 30 圖 320 ADC0832 與單片機的接口電路 ................................................................................. 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 單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 ........................................................................................... 38 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 插表清單 表 3 1 EE 型磁芯參數(shù) .......................................................................................................... 16 汪強：基于單片機的開關(guān)電源設(shè)計 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)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(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 在一個開關(guān)周期中的導(dǎo)通時間。 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，易實現(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 實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實現(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)計不安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 易實現(xiàn)最優(yōu)化。既改變 n0T ，又改變 T，實現(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)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是 PWM 信號、 PFM 信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進(jìn)行比較運算，控制開關(guān)信號的幅值、 頻率、 波形等，通過驅(qū)動器控制開關(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、 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)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時間，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 開關(guān)電源具有如下特點： (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，輸出電壓的變化在 177。2%以下。合理設(shè)計開關(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，能自動切斷電源，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)展動向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實現(xiàn)模塊化、小型、薄型、輕運化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國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)計到當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)計，是高效電源發(fā)展的一種集中體現(xiàn)。各國積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源規(guī)范，也是推動高效節(jié)能電源、低待機能耗產(chǎn)品應(yīng)用的主要動力。尤其是未來越來越多的中國產(chǎn)品將出口到國外，需要滿足歐美等國的電源標(biāo)準(zhǔn)，這將促進(jìn)中國企業(yè)對高效電源的需求。對于便攜式電源管理，效率尤為重要。 汪強：基于單片機的開關(guān)電源設(shè)計 6 （ 2）低功耗 隨著各種整機設(shè)備市場規(guī)模的不斷增長和社會對環(huán)保問題的日益重視，功耗問題逐漸成為關(guān)注熱點，電源管理和電源控制市場成為整個半導(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，將推動電源管理器件市場的穩(wěn)步發(fā)展。 （ 3）智能化 運用電源管理程序?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各主要耗電部件的用電狀態(tài)控制，對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)。在日益競爭的時代，提供高效整合體積的解決方案勢在必行，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 2020 年，美國國家半導(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 是一個單芯片的解決方案，設(shè)有一個在一起的供電區(qū)。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計 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)計通過對不同的方案的對比得出了最佳方案的設(shè)計。 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直 流 電 壓 圖 21 開關(guān)電源的一般框圖 DCDC 主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 方案一：主回路采用非隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 22 所示），只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，且輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故。 +V inP W MVout 圖 22 非隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 汪強：基于單片機的開關(guān)電源設(shè)計 8 方案二：主回路采用隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 23 所示），輸入與輸出電氣不相連，通過開關(guān)變壓 器的磁偶合方式傳遞能量，適合實驗室使用。本設(shè)計采用方案二。 +