【正文】 片機(jī)在智能化、擴(kuò)展性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互界面等方面的優(yōu)勢(shì)使其成為未來電源的重要發(fā)展的方向。要進(jìn)一步研制并且生產(chǎn)出適合于高頻工作的儲(chǔ)能電感、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、高頻電容等元器件是開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)所面臨的另一個(gè)問題。本文著重研究基于 Atmega8 單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本原理、硬件組成以及設(shè)計(jì)、程序編寫與調(diào)試、硬件電路 PCB 的繪制以及樣機(jī)的制作等。 假設(shè)開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓為 5V，但是，由于某種原因而使電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸入的電壓減小，從而導(dǎo)致輸出的電壓也將會(huì)減小，然而在此時(shí)，采樣電路的采樣電壓也將會(huì)減小，假設(shè)采樣電壓值為 ，誤差是 ，然而，經(jīng)過比較放大 電路以后，脈沖調(diào)制電路會(huì)根據(jù)這個(gè)誤差，提高脈寬信號(hào)的占空比從而使輸出的電壓增大。 方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過 A/D 轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)電壓，作為電源的基準(zhǔn)電壓，電源可以通過鍵盤設(shè)置預(yù)置輸出電壓，如果單片機(jī)不加入反饋控制，電源仍要使用專門的PWM 控制芯片，工作過程為：當(dāng)通過鍵盤設(shè)置預(yù)置電壓時(shí)，單片機(jī)通過 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出一個(gè)電壓作為控制芯片的一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓可以使控制芯片按預(yù)置電壓值來輸出相應(yīng)的占空比的控制脈沖，以輸出期 望的輸出電壓值。 方案三分析：在本方案中，不僅單片機(jī)中加入了反饋控制，而且是以單片機(jī)作為開關(guān)電源的控制核心，單片機(jī)得到了充分的利用，而且省去了 D/A 轉(zhuǎn)換 芯片和A/D 轉(zhuǎn)換 芯片，使成本大大的降低。單片機(jī)根據(jù)鍵盤的輸入值和采樣電壓值之間的差值，來修改單片機(jī)輸出 PWM 脈沖的占空比，通過此脈沖，控制功率管的通與斷，以便得到期望的輸出電壓值。 與此同時(shí)，電源可以進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓，假設(shè)在某一正常的狀態(tài)下，輸出電壓為 OV ，反饋電壓為 fV ( Of VV? )，用戶設(shè)定電壓為 SV ，當(dāng) SO VV ? 時(shí)，偏差為 0V，單 片機(jī)不進(jìn)行脈寬的更新，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出電壓增加時(shí)，即 SO VV ? 時(shí)，單片機(jī)采樣的電壓也會(huì)增加，單片機(jī)會(huì)根據(jù)偏差值修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從而使電壓值下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使輸出電壓下降時(shí)，即 SO VV ? 時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使得導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而使輸出電壓值上升，如此循環(huán)來進(jìn)行穩(wěn)壓。 Atmega8 的如此許多的特點(diǎn)，使其成為一款具有極高的性價(jià)比的單片機(jī)，在產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力，深受廣大單片機(jī)用戶的喜愛，而且亦被很多儀器儀表行業(yè)和家用電器廠商看中，從而，使 Atmega8 迅速地進(jìn)入大批量的應(yīng)用領(lǐng)域。 本設(shè)計(jì)中是利用單片機(jī) Atmega8 作為主要的控制器件，由單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的輸出電壓的可調(diào)功能。 接 地。在復(fù)位的過程中，即使系統(tǒng)的時(shí)鐘還沒有起振，端口 B 仍 處于高阻的狀態(tài)。其輸出緩沖器具有對(duì)稱驅(qū)動(dòng)特性，可輸出和吸收較大電流。如果熔絲位 RSTDISBL 編程， PC6可以 作為通用 I/O 口 引腳使用。其具有對(duì)稱驅(qū)動(dòng)特性的輸出緩沖器，可以吸收和輸出較大的電流。若持續(xù)的時(shí)間超過最小門限的時(shí)間的低電平將會(huì)引起系統(tǒng)的復(fù)位。而使用 ADC 時(shí)應(yīng)該通過一個(gè)低通濾波器與 CCAV 連接。 在 PB、 PC 和 PD 三個(gè)端口中，每個(gè)端口都有三個(gè) I/O 寄存器。 AVR 單片機(jī)的每一 個(gè) I/O 端口 作為通用數(shù)字 I/O 端口 使用的時(shí)候，輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)能力，可以輸出或吸收較大的電流，從而可以直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示以及蜂鳴器等。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 10 表 3 1 Atmega8 的 I/O 配置 DDRxn PORTxn PUD I/O 方向 上拉電阻 說明 0 0 輸入 無 高祖態(tài)輸入口 0 1 0 輸入 有 上拉輸入口，被拉低時(shí)輸出電流 0 1 1 輸入 無 高阻態(tài) 1 0 輸出 無 輸出低電平（吸收電流） 1 1 輸出 無 輸出高電平 （輸出電流） Atmega8 的 AD 功能 在 AVR 單片機(jī)中有兩種支持模擬信號(hào)的輸入功能端口，分別是模擬比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC。 ADC 是將連續(xù)變量的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的器件。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個(gè)比例的問題 ， ADC 產(chǎn)生的數(shù)字值要跟輸入模擬量與轉(zhuǎn)換器 量程的比值有關(guān)。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 11 轉(zhuǎn)換精度指的是 A/D 轉(zhuǎn)化器實(shí)際的輸出值與理想的輸出值的精確的接近程度。 數(shù)模轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度計(jì)算公式： ）（ 12/VV Nf u lls c a ler e s o lu t io n ?? （ 32） 轉(zhuǎn)換時(shí)間指的是 ADC 完成一 次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間；轉(zhuǎn)換速率 是指 ADC 每 秒轉(zhuǎn)換次數(shù)，為轉(zhuǎn)換時(shí)間和采樣保持所需時(shí)間和的倒數(shù)，大 多數(shù)的 ADC 轉(zhuǎn)換 時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率互為倒數(shù)的關(guān)系。 采樣頻率是指 ADC 單位時(shí)間內(nèi)對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣的次數(shù)，常常表示為：kSPS(千次采樣每秒 )或 MSPS(兆次采樣每秒 )。其特點(diǎn)為： 非線性度和 ? 2LSB 據(jù)對(duì)精度； 65～ 260us 轉(zhuǎn)換時(shí)間（ ADC 的 轉(zhuǎn)換時(shí)間表見表 32），最高分辨率時(shí)采樣率可達(dá)到 15kS/s；可選擇的左調(diào)整 ADC 讀數(shù)；連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式； ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷；基于睡眠模式的噪聲抑制器；可選的內(nèi)部ADC 參考電壓。若在 ADC 轉(zhuǎn)換過程中，這些位重新進(jìn)行設(shè)置，只有在當(dāng)前 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束 (ADCSRA 寄存器的 ADIF 置位 )后改變才會(huì)生效。若使 ADLAR=0，則 ADC 中數(shù)字量按 “ 右對(duì)齊 ” 格式存放；若 ADLAR=1，則 ADC 中數(shù)字量按 “ 左對(duì)齊 ” 格式存放。 ADC 中 10 位數(shù)字量有 “ 左端對(duì)齊 ”和 “ 右端對(duì)齊 ” 兩種存放格式，受 ADMUX 寄存器中 ADLAR 位控制。因此，如果 ADC 中數(shù)據(jù)采用左端對(duì)齊的格式，并且只需 8唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 14 位轉(zhuǎn)換精度，那么用戶僅需讀取 ADCH 寄存器足矣；否則，用戶必須先讀 ADCL，后讀 ADCH，兩次讀出之間不能插入其它任何指令 。 表 3 9 ADCSR 各位定義 位 7 6 5 4 3 2 1 0 位符號(hào) ADEN ADSC ADFR ADIF ADIE ADPS2 ADPS1 ADPS0 (1)ADEN(位 7) ADEN 的 名稱為 ADC 使能位，用于控制 ADC 是否使能。先使ADEN=1 然后使 ADSC=1 或者 ADEN 和 ADSC 同時(shí)設(shè)置為 1， ADC 首次進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過 25 個(gè) ADC 時(shí)鐘后本次 A/D 轉(zhuǎn)換完成；在以后各次常規(guī) A/D 轉(zhuǎn)換中，每次 A/D 只需要 13 個(gè) ADC 時(shí)鐘時(shí)間。如果使 ADFR=0，則 ADC 被設(shè)定成單次轉(zhuǎn)換模式或者連續(xù)轉(zhuǎn)換模式的終止?fàn)顟B(tài)；如果使 ADFR=1，則 ADC 被設(shè)定成連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。 (5)ADIE(位 3) ADIE 被稱為 ADC中斷允許位，用于控制 ADC中斷是否被允許。 表 3 10 ADC 時(shí)鐘分頻 ADPS2 ADPS1 ADPS0 分頻率 0 0 0 2 0 0 1 2 0 1 0 4 0 1 1 8 1 0 0 16 1 0 1 32 1 1 0 64 1 1 1 128 Atemga8 的 PWM 功能 Atmega8 單片機(jī)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 除了 可以設(shè)置為一般模式以及 CTC(比較匹配清零計(jì)數(shù)器 )模式以外，還可設(shè)置為相位可調(diào) PWM、快速 PWM 以及相應(yīng)頻率可調(diào)PWM 模式，通過外部運(yùn)算放大器從而構(gòu)成 8 位、 9 位、 10 位或 16 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 16 表 3 13 波形發(fā)生器模式的確定 模式 WGM1[3..0] T/C1 工作模式 計(jì)數(shù)上限值(TOP) OCR1A/OCR1B 更新 TOV1 置位 0 0000 一般模式 0xFFFF 立即 0xFFFF 1 0001 8 位 PWM，相位可調(diào) 0x00FF TOP 0x0000 2 0010 9 位 PWM，相位可調(diào) 0x01FF TOP 0x0000 3 0011 10 位 PWM，相位可調(diào) 0x03FF TOP 0x0000 4 0100 CTC OCR1A TOP 0xFFFF 5 0101 8 位 PWM，快速 0x00FF 立即 TOP 6 0110 9 位 PWM，快速 0x01FF TOP TOP 7 0111 10 位 PWM，快速 0x03FF TOP TOP 8 1000 PWM，相位和頻率可調(diào) ICR1 0x0000 0x0000 9 1001 PWM，相位和頻率可調(diào) OCR1A 0x0000 0x0000 10 1010 PWM，相位可調(diào) ICR1 TOP 0x0000 11 1011 PWM，相位可調(diào) OCR1A TOP 0x0000 12 1100 CTC ICR1 立即 0xFFFF 13 1101 保留 14 1110 PWM，快速 ICR1 TOP TOP 15 1111 PWM，快速 OCR1A TOP TOP 通過設(shè)定 WGM13～ WGM10= 10 或 11，可以把 T/C1 設(shè)定成相位可調(diào) PWM 模式，以便能在 OC1A/OC1B 引腳上產(chǎn)生高精度相位可調(diào) PWM 波，在這種模式之下， TCNT1 為一個(gè)雙程的計(jì)數(shù)器，可以從 0 一直增加到 TOP 值，并且在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)之時(shí)改變計(jì)數(shù)的方向，從 TOP 值開始一直減小到 0。 OCR1A 為 T/C1 輸出比較匹配寄存器 A，由 OCR1AH 跟 OCR1AL 拼裝成，其值可以用單片機(jī)通過程序來設(shè)定。 表 3 15 T/C1 的時(shí)鐘源選擇 CS12 CS11 CS10 T/C1 時(shí)鐘源 T1CLK 0 0 0 無時(shí)鐘源 (T/C 停止計(jì)數(shù) ) 0 0 1 I/OCLK /1(系統(tǒng)時(shí)鐘 ) 0 1 0 I/OCLK /8(來 自預(yù)分頻器 ) 0 1 1 I/OCLK /64(來自預(yù)分頻器 ) 1 0 0 I/OCLK /256(來自預(yù)分頻器 ) 1 0 1 I/OCLK /1024(來自預(yù)分頻器 ) 1 1 0 外部 T1引腳，下降沿驅(qū)動(dòng) 1 1 1 外部 T1引腳，上升沿驅(qū)動(dòng) 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 18 4 硬件電路設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì) 整流濾波電路設(shè)計(jì) 工頻 220V 交流電壓經(jīng)變壓器降壓后，變?yōu)?18V，對(duì)該電壓整流濾波后，再經(jīng)7815 得到 15V 電壓，其中一路電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓，另外一路將通過 7805 得到 5V的電壓，再經(jīng)過電容的濾波作用會(huì)使電壓的紋波減小，給開關(guān)電源控制電路部分的單片機(jī)提供工作電源。 開關(guān)變換電路設(shè)計(jì) 開關(guān)變換電路為開關(guān)電源的核心部位，它能將一種等級(jí)的直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種等級(jí)的直 流電壓。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波 電容選用的是低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質(zhì)電容。本設(shè)計(jì)選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式。為 保證各部件間的工作同步 ，因此 單片機(jī)內(nèi)部電路在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作 [3]。在實(shí)際連接中，為減少寄生電容，更好地 保證振蕩器 可以 穩(wěn)定 、 可靠工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能 的 與單片機(jī)芯片靠近 。軟件譯碼實(shí)現(xiàn)預(yù)置電壓以及輸出電壓的功能。由于所有位的段選碼用 同一個(gè) I/O 口來控制，因此，要顯示出不同的數(shù)字，必須要采用掃描的顯示方式。 圖 4 4 復(fù)位電路原理圖 R1 5 1 0R2 5 1 0R3 5 1 0R4 5 1 0R5 5 1 0R6 5 1 0R7 5 1 0R8 5 1 0abcdefgdpP B 0P B 2P B 3P B 4P B 5X1X2G N DV C CC40 . 1 u FG N DP B 0 ( I C P )14P B 1 ( O C 1 A )15P B 2 ( S S /O C 1 B )16P B 3 ( M O S I /O C 2 )17P B 4 ( M I S O )18P B 5 ( S C K )19P B 6 ( X T A L 1 / T O S C 1 )9P B 7 ( X T A L 2 / T O S C 2 )10P D 0 ( R X D )2P D 1 ( T X D )3P D 2 ( I N T 0 )4P D 3 ( I N T 1 )5P D 4 ( X C K / T 0 )6P D 5 ( T 1 )11P D 6 ( A IN 0 )12P D 7 ( A IN 1 )13GND8VCC7A V C C20A R E F 2 121G N D22( A D C 0 ) P C 023( A D C 1 ) P C 124( A D C 2 ) P C 225( A D C 3 ) P C 326( A D C 4 / S D A ) P C 427