【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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 LCD 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 [2]。 電源技術(shù)發(fā)展和方向 開關(guān)電源與線性電源 線性穩(wěn)定電源，它的特點(diǎn)是 :功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間電壓降穩(wěn)定輸出，可靠性高，易做成多路，穩(wěn)定性高，紋波小、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。線性電源主要問題是：效率低、精度低、散熱問題大和難以在一個(gè)通用的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但最主要的缺陷是在重量以及體積上。使用輸入 調(diào)整器可使輸出精度更加準(zhǔn)確，但是更增加功率的消耗，并且導(dǎo)致效率更低。線性電源功率達(dá)到 50%的效率就不容易了，這些浪費(fèi)掉的功率還帶來了散熱的問題。 開關(guān)電源是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，電路形式有全橋式、推挽式、單端正激式、單端反激式和半橋式。開關(guān)電源與線性電源的區(qū)別在于開關(guān)電源變壓器不工作在工頻上，而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲頻率上。功率開關(guān)管工作在飽與區(qū)截止區(qū)，工作在開關(guān)狀態(tài)，得名與開關(guān)電源。開關(guān)電源它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高，重量輕，體積小。 電源技術(shù)發(fā)展的方向 尖電源技術(shù)對(duì)提高一個(gè)國(guó)家勞動(dòng)生產(chǎn)率和提高一 個(gè)國(guó)家單位能耗的產(chǎn)出水平，有著非常大的作用。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義 [3]。 開關(guān)電源發(fā)展的方向是抗干擾、低耗、模塊化、高頻、高可靠和低噪聲。由于開關(guān)電源薄、輕、小的技術(shù)是高頻化，并且在功率鐵氧體（ MnZn）材料上加大研究，來提高在較大磁通密度與高頻率下能獲得高的磁性能，但是電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研哈爾濱劍橋?qū)W院畢業(yè)論文 3 究。 SMT 技術(shù)的應(yīng)用使開關(guān)電源取得了巨大的進(jìn)展，在電路板兩邊布置元器件，可以確保開關(guān)電源的小、輕、薄。 模塊化可以說是開關(guān)電源發(fā)展總體的趨勢(shì)，利用模塊 化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以組成 N+1冗余電源系統(tǒng)，并且可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式容量擴(kuò)展。對(duì)于開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大的缺點(diǎn)，用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上可實(shí)現(xiàn)高頻化又可以降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)際操作上會(huì)有很多技術(shù)問題，所以仍需在這一領(lǐng)域開展研究，使多項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化 開關(guān)電源市場(chǎng)的研究狀況與前景 線性電源 (Linear power supply)是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值 ,再經(jīng)過整流電路整流后 ,得到脈動(dòng)直流電后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電。要達(dá)到高精度直流電壓 ,就必須經(jīng)過穩(wěn)壓電 路進(jìn)行穩(wěn)壓。用于電鍍、充電設(shè)備、電解、科研、大學(xué)院校、工礦、實(shí)驗(yàn)室等。 開關(guān)電源 (Switching power supply)是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù) ,控制開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間和開通的比率 ,支持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源 ,開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向 ,高頻化使開關(guān)電源小型化 ,并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 ,特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 ,推動(dòng)了開關(guān)電源的發(fā)展 ,產(chǎn)品不斷向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠的方向發(fā)展 [4]。 開關(guān)電源是電子電力電源主要產(chǎn)品，由于其功率密度 /轉(zhuǎn)換效率高、輸入電壓范圍廣、輸入電壓范圍廣、熱消耗較少、 重量輕和小型化等優(yōu)點(diǎn)，得益于電子產(chǎn)品的輕、小的需求，發(fā)展迅速，取代了線性電源普及于各種電子電力的產(chǎn)品領(lǐng)域。開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)，占據(jù)全行業(yè)產(chǎn)出份額第一的是工業(yè)類開關(guān)電源， 2021 年達(dá)到全行業(yè)產(chǎn)值的比重為 56%，居第二位的是消費(fèi)類開關(guān)電源，占 32%，通信開關(guān)電源占 6%，個(gè)人電腦開關(guān)電源占 3%[5]。 本文研究主要內(nèi)容 （ 1）設(shè)計(jì)、制作開關(guān)電源； （ 2）利用單片機(jī)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤的預(yù)置輸入電壓數(shù)值，可以顯示預(yù)置電壓與輸出電壓； （ 3）開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法； （ 4）單片機(jī)軟件編程方法； （ 5） PID 控制原理； 哈爾濱劍橋?qū)W院畢業(yè)論文 4 2 系統(tǒng)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，核心是一個(gè)直流變換器。利用直流變換器就可以使一種直流電壓變成數(shù)值不同、極性的各種直流電壓。 如圖 所示，電路的工作原理為：假設(shè)基準(zhǔn)電壓為 10v，因?yàn)殡娋W(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸入電壓減小，所以輸出電壓也會(huì)減少，那么，所采樣電壓將減小，假設(shè)為 ，誤差為 ，經(jīng)比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)誤差，提高占空比使輸出電壓增大。 輸 入整 流濾 波電 路開 關(guān) 管8 9 C 5 2濾 波 電 路A D C 0 8 0 4采 樣 電 路輸 出 圖 2— 1 開關(guān)電源原理框圖 按電路中功率管的工作方式分類，電源可分為線性電源與開關(guān)電源。線性電源是較早的一種電源，它的功率管工作在線性放大區(qū) [5]。 線性電源和開關(guān)電源的比較 線性電源的缺點(diǎn) （ 1）必須要有較大的濾波電容；（ 2）體積大、不能小型化，重量也大；（ 3）效率低，功耗大，效率一般只有 35%45%。 缺點(diǎn)的原因是：（ 1）線性電源使用了 50赫茲的工頻變壓器，所以必須增大濾波電容容量。 （ 2）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 管本身的輸出電流和功耗成正比。 開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn) （ 1） 功耗小，效率高。圖 中，開關(guān)管 V在脈沖信號(hào)控制下，工作在截止 導(dǎo)通與導(dǎo)通 截止交替的開關(guān)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換速度很快快，頻率在 50~200 千赫茲。 （ 2） 體積小，重量輕。 哈爾濱劍橋?qū)W院畢業(yè)論文 5 （ 3） 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號(hào)的占空比或者激勵(lì)信號(hào)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。 （ 4） 濾波效率提高，并使濾波電容體積于容量減小。 系統(tǒng)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(jì)思路。開關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 ， 圖 2— 2 開關(guān)電源的一般框圖 方案 1 主回路采用非隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 所示） +V inP WMVout 圖 2— 3 非隔離式 DCDC結(jié)構(gòu) 方案 2 主回路用隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 所示），輸出和輸入電氣不相連，通過關(guān)開變壓器磁偶合方式傳遞能量，最適合實(shí)驗(yàn)室使用。本設(shè)計(jì)用方案二。 哈爾濱劍橋?qū)W院畢業(yè)論文 6 +Vout+ 圖 2— 4 隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 方案 3 方案 3：?jiǎn)纹瑱C(jī)擴(kuò)展 D/A 轉(zhuǎn)換器，不間斷的檢測(cè)輸 出電壓，并且根據(jù)電源輸出的電壓和鍵盤預(yù)置電壓差值，輸出了一個(gè) PWM 脈沖，直接控制電源工作。 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，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。基于考濾題目的要求，本次設(shè)計(jì)用 PWM 調(diào)節(jié)方式。 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 89C52， A/D 芯片采用 ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤預(yù)置電壓，設(shè)計(jì)中的任務(wù)要求輸出可調(diào)。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(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。開關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲(chǔ)能元件，在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)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)采樣輸出端電壓，是通過 ADC0809 傳送進(jìn)單片機(jī)里進(jìn)行處理的，單片機(jī)可以根據(jù)處理的結(jié)果輸出更新控制信號(hào)，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號(hào)控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)。在系統(tǒng)中，用戶根據(jù)需要從鍵盤輸入電壓，單片機(jī)就會(huì)根據(jù)鍵盤輸入和采樣電壓差值，更新脈寬，來對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。 當(dāng)閉環(huán)時(shí)，電源就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤預(yù)置電壓變化時(shí)，它先將鍵盤輸入的值與從輸出端取樣的值相對(duì)比，比如當(dāng)前鍵盤輸入為 100v，從輸出端取樣哈爾濱劍橋?qū)W院畢業(yè)論文 7 的值為 60v，差值為 40v，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)差值，跟新脈寬。這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程 。 同時(shí)，電源可以自動(dòng)穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為 V0，反饋電壓?jiǎn)?Vf（ Vf=V0），用戶設(shè)定電壓為 Vs，當(dāng) V0=Vs 時(shí)，偏差為 0，單片機(jī)不進(jìn)行脈寬更新，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出增加時(shí)，即 V0Vs 時(shí) ,單片機(jī)采樣的電壓也增加，單片機(jī)根據(jù)偏差修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從而使電壓下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使輸出電壓下降時(shí)，即 V0Vs 時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來進(jìn)行穩(wěn)壓 [6]。 2— 5 單片機(jī)控制開關(guān)電源系統(tǒng)框圖 系 統(tǒng)難點(diǎn)分析 如何提高電源的工作頻率 困難分析： 現(xiàn)如今開關(guān)電源工作頻率已經(jīng)可以達(dá)到 200 千赫茲以上，所以本次設(shè)計(jì)雖然采用了24M 赫茲晶振頻率，但開關(guān)電源要求的是單片機(jī)的處理速度要快， 51 系列單片機(jī)，雖然使用 24M的晶振，相對(duì)于開關(guān)電源需要很快開關(guān)工作頻率，但是它的速度仍然比較慢，并且單片機(jī)還要做掃面鍵盤，采樣電壓， PID 控制等很多工作，那么單片機(jī)更加慢，雖然可以忽略這方面影響，單片機(jī)可通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲頻率，但定時(shí)器中斷產(chǎn)生的脈沖有效電平，即占空比是不可以改變的，只可以是 50%，所以要 設(shè)計(jì)輸出可調(diào)的開關(guān)電源，顯然行不通。 整流濾波電路 開關(guān)變換電路 整流濾波電路 單片機(jī)控制電路 輔助電源 LCD 顯示 ADC0809 取樣電路 鍵盤預(yù)置 哈爾濱劍橋?qū)W院畢業(yè)論文 8 解決辦法： 現(xiàn)在的問題是在于單片機(jī)輸出的脈沖硬件更改，占空比不可以更改，只可以替換速度高單片機(jī)，但是成本又增加了，所以在選擇在軟件上解決問題，分為：第一要定義兩個(gè)變量，一個(gè)占空比 D，一個(gè)中期 T，給它們賦于值， T 要大于 D，先讓單片機(jī) I/O 輸出高電平，讓 D， T 同時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng) D計(jì)算到預(yù)計(jì)值時(shí)， I/O 口為低電平，然后低電平一直延續(xù)到 T值時(shí)， I/O 口輸出高電平。改變 T， D的值可以改變脈沖頻率，改變 D 值可以控制占空比。 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(shí)中斷 {=1。// 輸出高電平 D++。//同時(shí)計(jì)數(shù) T++。 If（ D==100） {=0； }//D 到預(yù)計(jì)值時(shí)，輸出的是低電平 If （ T==1000） {=1； //T 到預(yù)計(jì)值時(shí)，輸出的是高電平 D=0； T=0； //清零 } 只要單片機(jī)時(shí)鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。 儲(chǔ)能電感的繞制 我們用儲(chǔ)能電感目的，是在功率開關(guān)管截止的時(shí)候，可以為負(fù)載存儲(chǔ)能量，電氣上的作用是可以把開關(guān)方波脈沖積分成直流電壓 。需是自己繞制，需要最小電感值可以由公式計(jì)算 m )m a x(m in Io ut T onV ou tVinL ?? 式中 Ton 為估計(jì)最大輸入電壓下，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)為開關(guān)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(shè)計(jì)方法為 AeAwAp? 其中 Ae 為加入氣隙的高磁導(dǎo)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 是 導(dǎo)線電流密度， Kc 是繞組填充的因數(shù)，（ 0 1?Kc ）。BmKcj ILAp Im??， Bm 為鐵心中的磁哈爾濱劍橋?qū)W院畢業(yè)論文 9 通密度。計(jì)算出 Ap 的值，于手冊(cè)對(duì)照，選用大于 Ap 值產(chǎn)品，就可以查到對(duì)應(yīng)鐵心的截面積，公式為 BmAeLN Im? 確定繞組匝數(shù)。 標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù) 本次設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的是 0到 255的數(shù)字量，而用戶從鍵盤輸入的是電壓值。 控制系統(tǒng)檢測(cè)被控對(duì)象的參數(shù)是有不同數(shù)值與量綱。所有這些參數(shù)都需要通過變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器或者 V/F 變換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能處理的數(shù)字量。必須把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的不同量綱的物理量。這就是標(biāo)度變換技術(shù)。 我們這次設(shè)計(jì)標(biāo)度轉(zhuǎn)換為： 鍵盤輸入為： 0到 12V；采樣 0 到 5V 電壓對(duì)應(yīng)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(yù)置的 0到 12v的轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，這樣單片機(jī)系統(tǒng)才能夠進(jìn)行正確的比較處理。 開關(guān)變換器的結(jié)構(gòu)分析與選擇 開關(guān)電 源核 心是 脈沖 控制 電路 與高 頻開 關(guān)變 換電路 。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(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間（ Ton ） 與截止時(shí)間（ Toff ），達(dá)到控制輸出電壓目的。隔離電路采用高頻隔離變壓器與高頻變化器。開關(guān)電源的四中組態(tài)為：（ 1） Buck 變換器；（ 2） Bo