【文章內(nèi)容簡介】 電源、 PC 電源 )產(chǎn)值達到 855 億元， 2021 年達 931 億元，增長 %。2021 年達到 1027億元，增長 %。按開關電源應用領域細分，占據(jù)全行業(yè)產(chǎn)出份額第一的是工業(yè)類開關電源， 2021 年達到全行業(yè)產(chǎn)值的比重為 56%，居第二位的是消費類開關電源，占 32%，通信開關電源占 6%，個人電腦開關電源占 3%。 本文研究主要內(nèi)容 （ 1）設計、制作開關電源； （ 2）使用單片機構成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤預置輸入電壓，可顯示預置電壓和輸出電壓； （ 3） 開關電源的設計方法； （ 4） 單片機軟件編程方法； （ 5） PID 控制 原理； 廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 6 2 系統(tǒng)方案設計 開關電源工作原理 開關電源是指調(diào)整管工作在開關方式，即導通和截止狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，縮寫為 SPS（ Switching Power Supply）。開關電源的核心部分是一個直流變換器。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 ：假設基準電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動導致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會減少，此時，所采樣的電壓將減小，假設為 ，誤差為 ，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個誤差，提高占空比使輸出 電壓增大，同理，當由于電網(wǎng)波動導致輸出電壓增大時，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。 輸 入整 流濾 波電 路開 關 管8 9 C 5 2濾 波 電 路A D C 0 8 0 4采 樣 電 路輸 出 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)。 開關電源與線性電源的比較 線性電源的缺點 （ 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 成這些缺點的原因是：（ 1）線性電源中功率晶體管 V 在整個工作過程中，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，而且廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 7 也大大降低了電源的效率，就必須增大濾波電容的容量。 開關電源的優(yōu)點 （ 1）功耗小，效率高。圖 中，開關管 V在脈沖信 號的控制下，交替工作在導通 截止和截止 導通的開關狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在 50到 200 千赫茲。這就使得功率開關管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達到 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，因此開關電源的體積和重量都可以得到減小。 （ 3）穩(wěn)壓范圍寬。開關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)寬來進行補償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負載有較大變化時，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，同時也節(jié)省了成本。 系統(tǒng)方案論證 開關電源具有較快的發(fā)展，從而產(chǎn)生了不同的設計思路。開關電源的一般結(jié)構框圖如圖 所示，本設計通過對不同的方案的對比得出了最佳方案的設計。 圖 開關電源的一般框圖 單片機控 制的開關電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。 廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 8 方案 1 主回路采用非隔離推挽式拓撲結(jié)構（如圖 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 WMVout 圖 非隔離式 DCDC結(jié)構 方案 2 主回路采用隔離推挽式拓撲結(jié)構（如圖 所示），輸入與輸出電氣不相連，通過開關變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實驗室使用。本設計采用方案二 。 +Vout+ 圖 隔離式 DCDC 結(jié)構 方案 3 方案 3：單片機擴展 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置電壓的差值，輸出一個 PWM 脈沖，直接控制電源的工作。 方案分析 方案 1分析： 采用脈沖頻率調(diào)制 FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特 點 是固定脈沖寬度，利用改變開關頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。 方案 2分析： 采用脈沖寬度調(diào)制 PWM（ Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定開關的頻率，通過改變脈沖寬度改變占空比控制型效率高并具有良好的輸出廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 9 電壓和噪聲?；谏鲜隹紴V及題目的具體要求，本設計選用 PWM 調(diào)制方式。 方案 3分析：這個方案，單片機不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制核心，單片機得以充分利用，而且省去了 D/A 芯片，成本大大降低，是真正的單片機控制。 綜上所述，本設計選擇第三種控制方案，單片機使用 89C52， A/D 芯片采用 ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤預置電壓，設計任務要求輸出可調(diào)，所以設定值需要從鍵盤輸入，實現(xiàn)輸入不同的電 壓，輸出便可以輸出不同的電壓。 總體結(jié)構設計 系統(tǒng)工作原理圖如圖 ：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 +5v 電壓，該電壓作為單片機的工作電源，另外一路電壓直接作為開關變換電路的輸入電壓。單片機根據(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。開關變換器采用磁鐵心電感作為儲能元件，在功率開關管導通時，電感儲能，在開關管截止時，電感釋 放能量給負載。單片機定時采樣輸出端的電壓，通過 ADC0809送進單片機進行處理，單片機根據(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，單片機會根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應電壓，更新脈寬后，單片機會馬上調(diào)用 PID控制算法，對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時，電源自動進行脈寬調(diào)制，當系統(tǒng)讀取到鍵盤預置的電壓變化時，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設當前鍵盤輸入為 10v，從輸出端取樣的 值為 6v，差值為 4v，則系統(tǒng)會根據(jù)這個差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為 10v；同樣，當鍵盤輸入為 6v，輸出端取樣值為 10v，差值為 4v，系統(tǒng)會根據(jù)算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程。 同時，電源可以自動穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為 V0，反饋電壓問 Vf（ Vf=V0），用戶設定電壓為 Vs，當 V0=Vs 時，偏差為 0，單片機不進行脈寬更新，當電網(wǎng)波動導致輸出增加時，即 V0Vs 時 ,單片機采樣的電壓也增加，單片機根據(jù)偏差修改占空比使導通時間變小，從而使電壓下降，同樣當電網(wǎng)波動使輸出電 壓下降時，即 V0Vs時，單片機修改脈寬使導通時間變長，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來進行穩(wěn)壓。 廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 10 圖 單片機控制開關電源系統(tǒng)框圖 如何提高電源工作頻率 困難分析： 現(xiàn)代開關電源的工作頻率已經(jīng)可以達到 300 千赫茲，本次設計雖然采用了 24M 赫茲的晶振頻率，可以通過單片機定時輸出 40 千赫茲的頻率，但是開關電源要求的是單片機的處理速度要足夠快， 51 系列的單片機，即使使用 24M 的晶振，相對于開關電源需要很快開關工作頻率，它的速 度仍是比較慢的，而且這里單片機還需要做采樣電壓，掃描鍵盤， PID 控制等等很多的工作，那么單片機就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機可以通過定時器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲的頻率，但是定時器中斷產(chǎn)生的脈沖的有效電平，即占空比是不能夠改變的，只能是 50%，要設計輸出可調(diào)的開關電源，顯然行不通。 解決辦法： 現(xiàn)在的問題在于單片機輸出的脈沖占空比無法改變，硬件更改，只能是更換處理速度高的單片機，但是成本又增加了，而且還不一定比使用專門的 PWM 控制芯片的控制性能可靠，所以在此選擇在軟件上解決，具體思路為：首先定義兩個變量 ，一個周期 T，一個占空比 D，給它們賦值， T 大于 D，先讓單片機 I/O 輸出高電平，讓 T， D同時計數(shù)，當 D 計算到預計值， I/O 口為低電平，然后低電平一直延續(xù)到 T 值時， I/O 口輸出高電平。改變 D， T 的值可以改變脈沖頻率，改變 D 值可以控制占空比。算法需要使用定時器，根據(jù)電源的工作頻率設定定時時間。 整流濾波電路 開關變換電路 整流濾波電路 單片機控制電路 輔助電源 LCD 顯示 ADC0809 取樣電路 鍵盤預置 廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 11 算法為： D=100， T=1000； //定義變量，并賦值，占空比為 100/1000=10% VOID tim0 ()//定時中斷 {=1。// 輸出高電平 D++。//同時計數(shù) T++。 If（ D==100） {=0； }//D 到預計值，輸出低電平 If （ T==1000） {=1； //T 到預計值，輸出高電平 D=0； T=0； //清零 } 只要單片機時鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。 儲能電感的繞制 使用儲能電感目的在于，在功率開關管截止時，為負載存儲能量，電氣上的作用是把開關方波脈沖積分成直流電壓。本次設計儲能電感的磁體要求為工作頻率為 100 千赫茲，直流電阻小于 歐姆，飽和電流大于 2A。需要自己繞制，所需最小電感值可以由公式計算 m )m a x(m in Io ut T onV ou tVinL ?? 式中 Ton 為估計最大輸入電壓下，開關管導通時間，根據(jù)設計前輩們的經(jīng)驗，估計為開關周期的 30%是比較合適的。 代入數(shù)據(jù)求得 uHL ? ，取 uHL 100? 電感的設計方法為 AeAwAp? 其中 Ae 為加入氣隙的高磁導率材料鐵心電感的截面積， Aw 為電感窗口截面積， NBmLAe Im? ，KcjNIAw?，其中 I為電感電流有效值， j 為 導線的電流密度， Kc 為繞組填充因數(shù)，（ 0 1?Kc ）。BmKcj ILAp Im??， Bm 為鐵心中的磁通密度。計算出 Ap 值，對照鐵心產(chǎn)品手冊，選擇大于 Ap 值的產(chǎn)品，即可查得對應的鐵心截面積，由式 BmAeLN Im? 確定繞組匝數(shù)。 標度轉(zhuǎn)換技術 本次設計使用了 ADC0809，這種芯片只能采樣 0到 5V的電壓，所采集回來的電壓對廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 12 應的是 0到 255的數(shù)字量，而用戶從鍵盤輸入的是電壓值，為了進行比較，需要經(jīng)過標度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以得到同樣的單位量綱。 控制系統(tǒng)檢測的被控對象的參數(shù)有著不同的量綱和數(shù)值。所有這些參數(shù)都需要通過變送器轉(zhuǎn)換為電信號，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器或者 V/F 變換器轉(zhuǎn)換為計算機所能處理的數(shù)字量。由于不同參數(shù)的變化范圍和量 綱是不同的，因此同樣的數(shù)字量表示的模擬量可能是不同的。如同樣是數(shù)字量 255，可能表示的是 5V的直流電壓，也可以表示其他的量；即使是相同的量綱，如果變化范圍不同，相同的數(shù)字量表示的模擬量也是不同的，數(shù)字 0所以控制系統(tǒng)在進行顯示、打印、記錄和報警等操作時，必須把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應的不同量綱的物理量。這就是標度變換技術。 本次設計的標度轉(zhuǎn)換為： 鍵盤輸入為： 0到 12V；采樣 0 到 5V 電壓對應數(shù)字量為 0到 255 變換程序： r=input*255/12。//input 為鍵盤輸入值 ,r 為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 就是說使預置的 0到 12v的轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，這樣單片機系統(tǒng)才能夠進行正確的比較處理。 開關變換器結(jié)構分析與選擇 開關電源的核心是高頻開關變換電路和脈沖控制電路。高頻變換電路把直流輸入變換成高頻脈沖輸出。輸出電壓平均值 )/( ToffTonTonVo ?? ? Vi ,控制電路根據(jù)反饋電壓控制高頻開關管的導通時間（ Ton ） 與截止時間（ Toff ），達到控制輸出電壓目的。隔離電路采用高頻變換器件和高頻隔離變壓器。開關電源的四中組態(tài)為：（ 1） Buck 變換器；（ 2） Boost 變換器；（ 3） BuckBoost 變換器；（ 4） CUK 變換器。 降壓變換電路分析 這種開關型電源是直流供電，經(jīng)過開關電路得到單方向方波，再經(jīng)過濾波后又得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流。它們的輸出電壓總是比輸