【文章內(nèi)容簡介】 ... 36 附 錄 ........................................................................................................................................................................... 37 緒 論 1 緒 論 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率開關(guān)管（ MOSFET；三極管）的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。它是在電子、計(jì)算機(jī)、通信、電氣、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域 應(yīng)用非常廣泛的一種電力電子裝置。具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點(diǎn)。 本文中研究的單片機(jī)控制開關(guān)電源，可以通過鍵盤預(yù)置期望輸出電壓值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進(jìn)行采樣，由軟件控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖寬度，對開關(guān)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出預(yù)期的電壓。并采用 PID 算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構(gòu)成可輸出 3v 到 12v 的可調(diào)電壓，并顯示實(shí)時(shí)電壓和預(yù)置值，通過鍵盤可隨時(shí)修改 PID 參數(shù)以優(yōu)化控制效果，并該系統(tǒng)可以給芯片提供工作電壓，加以擴(kuò)展可構(gòu)成輸出正負(fù) 3 到 12 伏的雙極性電源。 單片機(jī)控制的開關(guān)電源具有設(shè) 計(jì)彈性好的優(yōu)點(diǎn)， 可以按照設(shè)計(jì)者的思想靈活的工作。目前電子設(shè)備的日益小型化需要供電電源的小型化，這樣制作小型化電源是未來電源制作的一個(gè)趨勢， 傳統(tǒng)開關(guān)電源線路一般很復(fù)雜體積也較大，如果使用的單片機(jī)作為控制核心必將可以大大簡化電源的結(jié)構(gòu)，制作更加小的電源將成為可能，并且使用單片機(jī)可以擴(kuò)展許多功能，如顯示，實(shí)時(shí)控制調(diào)整電壓，可維護(hù)性強(qiáng)，由于目前國內(nèi)有專門的 PWM 輸出的單片機(jī)價(jià)格昂貴，普通的單片機(jī)I/O 口模擬的脈寬頻率較低，速度較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代電源要求的工作頻率，所以目前單片機(jī)控制的電源使用并不廣泛，但是單片機(jī)在 智能化以及可實(shí)現(xiàn)的用戶友好界面，擴(kuò)展性強(qiáng)等等方面的優(yōu)勢使其成為未來電源重要的發(fā)展方向。因此，我們研究單片機(jī)控制的開關(guān)電源，非常有現(xiàn)實(shí)意義。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、體積更小、重量更輕的開關(guān)電源，使之能滿足電子設(shè)備的日益小型化的需要。這是未來開關(guān)電源設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的第一個(gè)問題。 在開關(guān)電源中，由于功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)速度提高后，會受到電路中分布電感、電容成分或二極管中儲存的電荷的影響而產(chǎn) 生較大的浪涌和噪聲，其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產(chǎn)生較強(qiáng)的尖峰干擾和諧波干擾，這些尖峰電壓或電流可能會損壞電路的器件，同時(shí)這些干擾會污染市電電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器與設(shè)備的在正常工作。雖然也可以采取一些抑制干擾的措施，在一定程度上降低這些干擾的影響，但目前階段的精密電子儀器中，仍難以使用開關(guān)電源。因此，克服開關(guān)電源產(chǎn)生的各種噪聲干擾，是我們要努力解決的第三個(gè)問題。 物理與電子工程系畢業(yè) 論文 2 第一章 概述 課題來源及意義 電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交 叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。他對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵作用。 當(dāng)代許多高新技術(shù)均與市電的電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。因 此，電源技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠(yuǎn)的影響。 電源，如今 已經(jīng)是 非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到 高 尖端的科技，都離不開電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中 不斷的 發(fā)展起來的。 電源的重要性不可否認(rèn)，但是傳統(tǒng)電源存在不足的地方，例如，傳統(tǒng)電源效率不高，線性電源由于功率管是工作在線性放大狀態(tài)，功率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當(dāng) 輸出電流越大時(shí)，功耗就越大。通常，線性電源效率只有45%到 50%左右，因此提高電源效率是未來電源設(shè)計(jì)，應(yīng)著重解決的問題，而開關(guān)電源能夠很好的解決這個(gè)問題，開關(guān)電源的功率開關(guān)管是工作在開關(guān)狀態(tài)的，也就是，只是在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，管子才會產(chǎn)生損耗，因此開關(guān)電源的效率比線性電源要高得多，通?？梢赃_(dá)到 80%以上，本設(shè)計(jì)選擇開關(guān)電源作為研究對象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關(guān)系，假定輸入基本穩(wěn)定，利用單片機(jī)控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過 A/D 轉(zhuǎn)換，采樣輸出電壓，使用數(shù)碼管顯示，通過鍵盤預(yù)置電壓，實(shí)現(xiàn)可調(diào)開關(guān) 電源的制作。 課題基本要求 （ 1）設(shè)計(jì)、制作開關(guān)電源； （ 2）使用單片機(jī)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤預(yù)置輸入電壓，可顯示預(yù)置電壓和輸出電壓； 第一章 概述 3 （ 3）掌握開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法； （ 4）掌握單片機(jī)軟件編程方法； （ 5）掌握 PID 控制原理。 課題相關(guān)背景 我國的三極管直流變換器及開關(guān)電源的研制工作開始于 60 年代初期，到了60年代中期進(jìn)入了實(shí)用階段，緊跟著 70年代初開始研制無工頻變壓器開關(guān)電源。1974 年研制成功了工作頻率為 10 千赫茲、輸出電壓為 5v 的無工頻開關(guān)電源。近 30 年來，許多研究所、工廠及高校 已研制出多種型號的開關(guān)電源，并廣泛的應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、家電等許多方面，取得了很好的效果。工作頻率為100 千赫茲 200 千赫茲的高頻開關(guān)電源于 80年代初期開始研制， 90年代初試制成功，目前已經(jīng)是非常成熟的電子產(chǎn)品。按調(diào)制方式劃分可以分為： （ 1）脈寬調(diào)制型：振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖的寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。通過采樣電路、耦合電路構(gòu)成閉合回路，來穩(wěn)定輸出電壓。縮寫為 PWM(Pulse Width Modulation)。 （ 2）頻率調(diào)制型：占空比保持不變或關(guān)斷時(shí)間不變，改變振蕩器 的頻率來穩(wěn)定并調(diào)節(jié)輸出電壓幅度。縮寫為 PFM（ Pulse Frequency modulation） 。 （ 3）混合調(diào)制型：通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間的振蕩頻率來完成穩(wěn)定并輸出電壓幅度。 通常采用的是脈寬調(diào)制型和混合調(diào)制型兩種調(diào)制方式。在脈寬調(diào)制中因?yàn)轭l率不變，所以無論是對電路中的磁性元件及晶體管的測試和設(shè)計(jì)都很方便，而且對射頻干擾的抑制也變得比較容易?；旌险{(diào)制則因其線路簡單，也得到了廣泛的應(yīng)用。相對而言，頻率調(diào)制較少采用。本文中采用的是脈寬調(diào)制型。 物理與電子工程系畢業(yè) 論文 4 第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 開關(guān)電源工作原理 開關(guān) 電源是指調(diào)整管工作在開關(guān)方式，即導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)壓電源，縮寫為 SPS（ Switching Power Supply）。開關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變換器。利用直流變換器可以把一種直流電壓變成極性、數(shù)值不同的多種直流電壓。 圖 所示電路的工作過程為：假設(shè)基準(zhǔn)電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動導(dǎo)致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會減少，此時(shí)，所采樣的電壓將減小，假設(shè)為，誤差為 ，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個(gè)誤差，提高占空比使輸出電壓增大，同理，當(dāng)由于電網(wǎng)波動導(dǎo)致輸出電壓增大時(shí)，脈沖調(diào)制電路降低占 空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定。 圖 按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關(guān)電源與線性電源兩大類。線性電源是發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。開關(guān)電源是在線性電源的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，并在很大程度上克服了線性電源的缺陷，但其自身也有一定的不足。 開關(guān)電源與線性電源的比較 線性電源的缺點(diǎn) （ 1）功耗大，效率低，效率一般只有 35%45%；（ 2）體積大、重量大，不能小型化；（ 3）必須有較大容量的濾波電容。 造成這些缺點(diǎn)的原因是：（ 1）線性電源中功率晶體管 V 在整個(gè)工作過程中，一直工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成 整流 濾波 電路 開關(guān)管 濾波電路 采樣電路 比較放大 脈沖調(diào)寬 輸出 輸入 基準(zhǔn)電壓 + + 第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 5 正比。這樣功率晶體管的功耗就會隨電源的輸出功率的增加而增大。為了保證功率晶體管能正常工作，除選用功率大的管子外，還必須給管子加上較大的散熱片。（ 2）線性電源使用了 50赫茲的工頻變壓器，他的效率只有 80%90%。這樣不但增加了電源的體積和重量，而且也大大降低了電源的效率，就必須增大濾波電容的容量。 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn) （ 1）功耗小，效率 高。圖 中，開關(guān)管 V 在脈沖信號的控制下，交替工作在導(dǎo)通 截止和截止 導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在 50 到 200 千赫茲。這就使得功率開關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達(dá)到80%以上。 （ 2）體積小，重量輕。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關(guān)管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關(guān)電源的體積和重量都可以得到減小。 （ 3）穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。在工頻電網(wǎng)電壓有 較大變化或負(fù)載有較大變化時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓效果好。 （ 4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。例如，若開關(guān)電源的工作頻率為 25 千赫茲，是線性穩(wěn)壓電源頻率 500 倍（ 25000/50 赫茲），這使濾波電容的容量可以相應(yīng)的縮小 500 倍，這使濾波電路中元件的體積和重量得以減少，同時(shí)也節(jié)省了成本。 方案論證 單片機(jī)控制的開關(guān)電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。 方案 1 方案 1：單片機(jī)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)電壓，用作電源的基準(zhǔn)電壓，電 源可以通過鍵盤預(yù)置輸出電壓，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)通過鍵盤預(yù)置電壓時(shí)，單片機(jī)通過 D/A芯片輸出一個(gè)電壓作為控制芯片的基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓可以使得控制芯片按照預(yù)置電壓值，來輸出控制脈沖，以輸出期望輸出電壓。 物理與電子工程系畢業(yè) 論文 6 方案 2 方案 2：在方案 1 的基礎(chǔ)上，單片機(jī)擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不斷的檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值的差值，調(diào)整后，通過 D/A芯片輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，控制專門的 PWM 控制芯片，間接的控制電源工作。 方案 3 方案 3：單片機(jī)擴(kuò)展 A/D 轉(zhuǎn)換器，不斷檢測輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤預(yù)置電壓的差值，輸出一個(gè) PWM 脈沖，直接控制電源的工作。 方案分析 方案 1分析：單片機(jī)沒有加入反饋控制，只是輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這樣單片機(jī)的作用非常的小，而且仍要使用專門的控制芯片，價(jià)格比較貴，電源成本增加，削弱了單片機(jī)的作用，不宜采用。 方案 2分析：單片機(jī)加入了反饋控制，作用得以利用，但是需要擴(kuò)展 A/D和D/A 芯片，而且還是需要專門的 PWM控制芯片，成本比方案 1 更高，更不宜采用。 方案 3分析：這個(gè)方案，單片機(jī)不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制 核心，單片機(jī)得以充分利用，而且省去了 D/A 芯片，成本大大降低，是真正的單片機(jī)控制。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇第三種控制方案，單片機(jī)使用 89C51， A/D 芯片采用ADC0832，采用 4位數(shù)碼管顯示采樣值，鍵盤預(yù)置電壓，設(shè)計(jì)任務(wù)要求輸出可調(diào)，所以設(shè)定值需要從鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電壓。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原 理圖 如圖 所示：市電經(jīng)過整流濾波后， 一路電壓經(jīng)過 7805穩(wěn)壓得到一個(gè) +5v 電壓，該電壓作為單片機(jī)的工作電源， 另外一路 電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓。單片機(jī)根據(jù)鍵盤 輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關(guān)管，以 便得到期望的輸出電壓值 ，并根據(jù) 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用 PID 算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲能元件，在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲能，在開關(guān)管截止時(shí)，電感釋放能量給負(fù)載。單片機(jī)定時(shí)采樣輸出端的電壓，通過 ADC0832 送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片機(jī)會 根據(jù)鍵盤輸入與采樣第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 7 電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應(yīng)電壓，更新脈寬后，單片機(jī)會馬上調(diào)用PID 控制算法，對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時(shí)，電源自動進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤預(yù)置的電壓變化時(shí)，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設(shè)當(dāng)前鍵盤輸入為 10v，從輸出端取樣的值為 6v，差值為 4v，則系統(tǒng)會根