【文章內(nèi)容簡介】 ELC U O R L VD基于 51 單片機(jī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 6 控制方法及實現(xiàn)方案 主電路確定之后，為了配合主電路完成整個運(yùn)行，需要控制電路進(jìn)行輔助，這樣系統(tǒng)才能正常工作。因此，還需要選擇一個合理的控制方案。 方案一： 利用 PWM 專用芯片產(chǎn)生 PWM 控制信號。這種辦法容易實現(xiàn)， 工作也比較穩(wěn)定，但不容易實現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，很難實現(xiàn)設(shè)計中的這一要求。 方案二：利用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 控制信號，通過輸入程序來輸出 PWM,單片機(jī)根據(jù)反饋信號對 PWM 信號做出相應(yīng)調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，用按鍵來調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn)輸出 30V36V 可調(diào)。這種方案實現(xiàn)起來較為靈活，可以通 過調(diào)試來達(dá)到自己所需的要求，此設(shè)計理所當(dāng)然對本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。但是系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜，需要設(shè)計人員的耐心調(diào)試。 因此，方案二更容易實現(xiàn)題目的要求，選擇方案二作為設(shè)計的控制電路。 系統(tǒng)的總體框圖 根據(jù)以上方案的選擇，已經(jīng)完成了系統(tǒng)的主體框架，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的基本運(yùn)行。為了能夠進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行，還需要加入一些保護(hù)電路，保護(hù)電路可以使設(shè)計運(yùn)行更可靠，系統(tǒng)更安全。此外，通過單片機(jī)的控制加入顯示電路，隨時觀察輸出電壓電 流，通過按鍵有效地控制電壓電流的大小。整理得出系統(tǒng)的總體框圖如 23所示 。 ELC UO R L VD 圖 23 系統(tǒng)總體框圖 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 系統(tǒng)的總體要求 系統(tǒng)的總體方案已經(jīng)確定，能夠完整的做出成品，但設(shè)計的最終目的是在實際生活中應(yīng)用，而效率的高低則取決于該設(shè)計的價值。因此，我們需要提高效率來實現(xiàn)系統(tǒng)的最大利用化。 提高電源的整體效率跟主電路、單片機(jī)系統(tǒng)、保護(hù)電路和顯示電路中各部分器件的選擇有很大的關(guān)系。因此控制及顯示單元電路應(yīng)該使用一款低功耗的 51 單片機(jī)。主開關(guān)管應(yīng)該選擇效率高、開關(guān)速度快、損耗小的 MOS 場效應(yīng)管。肖特基二極管應(yīng)該選擇恢復(fù)速度快 、損耗低的作為輸出端的整流 /升壓二極管。 根據(jù)以上可以提高效率的方法綜合出包括以下四個方面的方案： 1) 放棄使用常規(guī)的高功耗的 80C51 單片機(jī)，取而代之的是與之兼容的超低功耗、超低價、具有高速轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)版 51 單片機(jī)，這種單片機(jī)不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，制作簡單方便，是一款值得使用的單片機(jī)。 2) Boost 升壓斬波電路中開關(guān)管的選?。弘娏w管（ GTR）耐壓高、電流大、工作頻率較低、開關(guān)損耗大；電力場效應(yīng)管（ Power MOSFET）具有驅(qū)動電路簡單、需要的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、負(fù)載電流大等特點。而且電力場效 應(yīng)管的熱穩(wěn)定性優(yōu)于電力晶體管。從工作頻率和降低損耗的角度考慮，選擇電力場效應(yīng)管作為開關(guān)管。 3) 選擇合適的開關(guān)工作頻率：為降低開關(guān)損耗，應(yīng)盡量降低工作頻率；為避免產(chǎn)生噪聲，工作頻率不應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后，我們把開關(guān)頻率設(shè)定為 20kHz。 4) Boost 升壓電路中二極管的選取：開關(guān)電源對于二極管的開關(guān)速度要求較高，可從快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管中加以選擇。與快速恢復(fù)二極管相比，肖特基二極管開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比較小，但反向耐壓較低，多用于低壓場合?？紤]到降低損耗和低壓應(yīng)用的實際，選擇肖特基二極管 , 可有效降低 開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率。 本章小結(jié) 本章通過對比選擇合適的主電路和控制電路，為了能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，加入必要的保護(hù)電路，整理方案畫出系統(tǒng)的整體框圖。電子設(shè)備的應(yīng)用需要可靠穩(wěn)定的電源供電，需要提高效率來使電源達(dá)到最大利用化，因此，文中對提高效率做出了詳細(xì)的介紹。 基于 51 單片機(jī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 8 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 3 硬件設(shè)計 主電路的設(shè)計與計算 主回路中包括整流電路，濾波電路及 BOOST 電路，這些模塊中所需器件的選擇如下。 整流的選擇：隔離變壓器輸出 的交流為 15V 的電壓，整流橋的電流最大可達(dá)到 5～ 6A，為了能夠得到較好的直流量，所以選擇單相橋式全控整流電路，整流橋的耐壓應(yīng)為 50V 以上，正向電流大于等于 8A，實際電路中采用 10A/600V 整流橋。 濾波電容器選擇：要求輸出的最大電流為 2A，最大電壓為 36V，按照電路效率為 80％計算： 輸出最大功率為： Pm=UO*Io=36V*2A=72W 整個電路輸入的功率： Pin= Pm/=72W/=90W 所以輸出最大功率為 72W,整個電路輸入的功率約為 90W。電路自身功率達(dá)18W，根據(jù) P=U2/R,可求 得整流濾波電路的等效負(fù)載電阻 R≈6 歐姆，濾波電路的基波周期 10mS，按一般要求，濾波電路的時間常數(shù) τ＝ CR＝ 30mS～ 50mS，所以，濾波電容 C 選用 4700181。F。 開關(guān)管的選擇：功率 MOSFET 具有負(fù)載電流大，導(dǎo)通電阻低的優(yōu)點。選擇合適的 MOS 管，柵極驅(qū)動器的負(fù)載能力必須足夠大，以確保在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對柵極等效電容（ CEI）的充放電。流經(jīng) MOS 管的電流理論平均值：ID=TOFF*IO/T=IO *VO / Vi≈5A。所以， MOSFET 應(yīng)選用平均電流大于 10A、電壓大于 50V 的管子，實際選用 IRF540N， IF=28A、 VR=100V、 PD=150W、 RDS(ON)=。 升壓二極管的選擇：二極管要采用正向電壓降低，反向恢復(fù)時間短的二極管，所以選用反向恢復(fù)時間為 60us 以下、反向耐壓為 45V 以上的肖特基二極管。它是一種低功耗、超高速 半導(dǎo)體 器件，可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率。實際電路中選用 MBR1545： IF=15A、 VR=45V。 電感值的計 算： LB=UIN^2(UOUIN)/(mIOfUO^2) 其中， m 是脈動電流與平均電流之比取為 ，開關(guān)頻率 f=20 kHz,輸出電壓為 36V 時， LB=，取 370μH。 電感線徑的計算：最大電流 IL 為 ，電流密度 J 取 4 A/mm2，線徑為 d,則由 J*π(d/2)^2=IL 得 d= mm,工作頻率為 20kHz,需考慮趨膚效應(yīng)，制作中采取多線并繞方式，既不過流使用，又避免了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致漆包線有效面積的減小。 電容的參數(shù)計算 ： CB=IO(UOUIN)/(UO△ U/T) 基于 51 單片機(jī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 10 其中， ΔUO為負(fù)載電壓變化量，取 20 mV,f=20kHz,UO=36V 時 ,CB=,取為 3000μF，實際電路中用多只電容并聯(lián)實現(xiàn)，減小電容的串聯(lián)等效電阻（ ESR），起 到減小輸出電壓紋波的作用， 更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓 ]5[ 。 電路中 R R C3 及單片機(jī)中的 ADC 為采樣電路。 以上器件的選擇確定了 主電路，原理圖如 31 所示。 圖 31 BOOST 斬波主電路圖 控制電路的分析與計算 控制電路的核心就是 51 單片機(jī)，選擇 一個合適的單片機(jī)是實現(xiàn)控制電路的關(guān)鍵。 單片機(jī)的選擇： 單片機(jī)根據(jù)電壓的設(shè)定值和電壓反饋信號調(diào)整 PWM 控制信號的占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，同時，單片機(jī)與采樣電路相結(jié)合，將為系統(tǒng)提供各種保護(hù)措施，并實現(xiàn)輸出電壓、輸出電流的測量和顯示。 PWM 信號占空比 D≈1UIN/UO 當(dāng) U2=12V， UO=36V 時， UIN=*U22V=， 最大值 DMAX=； 當(dāng) U2=18V， UO=30V 時， UIN=*U22V=，最小值 DMIN= 系統(tǒng)對于單片機(jī) A/D 采樣精 度有較高的要求，欲達(dá)到這一精度， A/D 精度要達(dá)到 1/500，即至少為 9 位 A/D，經(jīng)過全面考慮，決定采用高性能、低功耗的單片機(jī) STC15F2K60S2。該單片機(jī)采用 STC 第八代加密技術(shù)，是新一代 8051 單片機(jī)，增強(qiáng)型的 8051CPU 的運(yùn)行速度比普通 8051 快 8 到 12 倍。它不需要外部晶振，內(nèi)部集成高精度 R/C 時鐘，也不需要復(fù)位電路，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路。 擁有 8路高速的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，而且內(nèi)部有低功耗掉電喚醒專用定時器 。 而且該單片機(jī)在系統(tǒng)可仿真、可編程，無需專用編程器、仿真器，可遠(yuǎn)程升級。 此單片機(jī) 具有超低功 耗，超低價，高速，可靠，超強(qiáng)抗靜電，抗干擾等多個優(yōu)點 ,功能十分強(qiáng)大，完全 符合該設(shè)計的要求，因此選擇此單片機(jī)作為設(shè)計的主控制器 ]6[ 。 引腳圖如 32 所示。 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 32 單片機(jī)引腳 的設(shè)計 在電子設(shè)備 的設(shè)計中，不僅要達(dá)到所需的要求，還要保 證產(chǎn)品能夠穩(wěn)定的工作。一個完整的設(shè)計就是考慮各方面的因素，讓電子設(shè)備 更加實用。因此，需在系統(tǒng)中加入保護(hù)電路。 本設(shè)計主要采用了過流保護(hù)和電壓保護(hù) ]7[ 。電流比較大，加入過流保護(hù)以 免線路燒壞影響工作，電壓通過單片機(jī)反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，保護(hù)電壓。這些保護(hù)為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了有利保障。 在輸出濾波處串聯(lián)一個電流采樣電阻，其實選用的材料就是溫漂小的康銅絲。保證過流故障后電路的正常運(yùn)行。電流信號在放大后反饋給單片機(jī)經(jīng)過 A/D 采樣。過流故障解除后，電路的一切運(yùn)行將恢復(fù)正常。 輸出濾波如圖 33。 10mHL2Inductor470uFC?104CBHC? 銅康絲Rtext2輸出濾波Uo+Uo+2GND Uo 圖 33 輸出過流保護(hù)電路 逐波過流保護(hù) ：由于此電源設(shè)計要求電流較高，因此需要過流保護(hù)來使系統(tǒng)穩(wěn)定工作 ，如圖 34 所示。 此過流保護(hù)是在開關(guān)每個開斷周期內(nèi)都會對電流進(jìn)行檢測，檢測到過流時便強(qiáng)行 關(guān)斷，防止開關(guān)場效應(yīng)管被燒壞。逐波過流保護(hù)如下圖（ a）。由于考慮到場效應(yīng)管開通時會產(chǎn)生尖峰電流，可能會是逐波過流保護(hù)發(fā)生誤動作，因此加入逐波防鎖電路，如下圖（ b） ]8[ 。 基于 51 單片機(jī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 12 +12VGND20KRup+12VTEST47KRjz1Rjz2GNDSDCjz84567LM393BGND104C393+12V+12V200Rzb103CzbQ2IRF1405PWM TESTGND GND(a) (b)+12VGND20KRup+12VTEST47KRjz1Rjz2GNDSDCjz84567LM393BGND104C393+12V+12V200Rzb103CzbQ2IRF1405PWM TESTGND GND(a) (b) 圖 34 逐波過流保護(hù) 顯示電路的設(shè)計 本設(shè)計主要是實現(xiàn)穩(wěn)定升壓的效果，為了能夠更清楚的觀看輸出電壓電流的變化，在此加入顯示電路，更好的調(diào)試系統(tǒng)，完成硬件設(shè)計。 本系統(tǒng)是通過按鍵調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)電壓可調(diào)。首先應(yīng)用軟件編程輸入 51 單片機(jī)，單片機(jī)的兩個接口 和 直接與 按鍵連接，這樣就可以實現(xiàn)數(shù)字設(shè)定，連線簡單、方便，同時減少了外圍電路，從而有助于整體電路效率與可靠性的提高。 顯示電路采用 1602 顯示器，它是一種顯示數(shù)字、字母、符號的點陣型液晶模塊，它可以顯示兩行，在此設(shè)計中兩行分別顯示電壓和電流，便宜簡潔，但 LCD不能顯示漢字，可以用英文表示，高端大氣上檔次，全面顯示所需數(shù)據(jù) ]9[ 。 顯示電路如圖 35 所示。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG