【導讀】化時代，用單片機實現(xiàn)電子產(chǎn)品十分方便，所以在這次設計中使用了單片機實現(xiàn)。

　　

【正文】 ，這樣電感存儲的能量才能夠轉(zhuǎn)化為電容中儲存的 電能。由此可見，如果要控制信號的每一個脈沖都能完全的工作，應有 ttonT ?? ，也就是讓電感在導通期間存儲的能量，能在 t 時間內(nèi)，完全釋放給電路。 根據(jù)能量守恒定理，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能，對電容再次充電，那么輸入電能應等于導通時電容所充電能加上電感的磁能，即 ?W VoIoT （ 7）式 代入（ 4）式得 TQVoVetonLT VoVeVoVeIo ?????? 22 （ 8）式 可見，當導通時間越大或者脈沖周期越小，輸出電流越大，當需要提高電源輸出功率時，可以提高開關(guān)管的工作頻率。 升壓型變換電路 升壓式開關(guān)電源的輸出電壓總是高于輸入電壓 Ui，并且極性是相同的。當開關(guān)管飽和導通時，電感進行儲能。當開關(guān)管截止，電感中的電能通過續(xù)流二極管供給負載，同時對電容 C 充電。當負載電壓下降時，電容再次放電，這時可獲得高于輸入的穩(wěn)定電壓。由于開關(guān)管和負載是并聯(lián)的，也稱它為并聯(lián)開關(guān)電源。 BuckBoost 型變換器 極性變換式電源輸出電壓與輸入電壓極性是相反的，輸出電壓的絕對值還要高于輸入電壓的絕對值，否則將和降壓式開關(guān)電源混淆，由此可見，極性變換式開關(guān)電源是上述降壓式和升壓式電源的綜合。當開關(guān)管導通時，輸入電壓加在電感上，產(chǎn)生電流，電感進行儲能，二極管反向截止。晶體管截止時，電感上電流逐漸減小，感應電動勢使二極管導通，給電容充電，電容上的電壓與輸入電壓極性相反。當負載上的電壓要跌落時，電容再次給負載放電，這時可使輸出電壓高于輸入電壓。 這 4 種開關(guān)電路有各自的特點，本次設計任務要求電源在 3到 12 伏內(nèi)可調(diào)，而輸入電壓為 ，所以采用降壓型開關(guān)變換電路，即 Buck 變換器，通過調(diào)制輸出占空比為 0 到 90%的一系列脈沖，使電源在要求范圍內(nèi)可調(diào)。 物理與電子工程系畢業(yè) 論文 14 開關(guān)電路器件參數(shù)選擇 功率開關(guān)管的選擇 開關(guān)管是整個電源主要的工作器件，正確的選用，是電源成功制作的前提。 首先，開關(guān)管的截止時間不宜過長，假如截止時間過長，當開關(guān)管的上一個控制脈沖已經(jīng)結(jié)束，而下一個控制脈沖已經(jīng)到來時，會造成開關(guān)管還沒有完全關(guān)斷，馬上就進入下一個導通周期，這樣開關(guān)管幾乎是一直在導通，開關(guān)完全失去控制，功耗和輸出電壓會 迅速增加，造成電源的損壞。 其次，開關(guān)的導通時間也不宜過長。當開關(guān)頻率較高時，開關(guān)管導通和截止的頻率頻繁，導通時間長，意味著開關(guān)管有更多的時間是在放大狀態(tài)下工作（開關(guān)導通后是利用晶體管的放大作用而工作的），這樣開關(guān)管的功耗就會迅速增加，電源的效率將大為下降。 本論文中電源工作頻率為 25 千赫茲，根據(jù)設計前輩們的經(jīng)驗，功率開關(guān)管的導通 時間不宜超過 ，截止時間不宜超過 1us 。 在開關(guān)管導通時，負載電流以及濾波電容的充電電流 均通過開關(guān)管提供，因此，開關(guān)管的集電極電流必須大于輸出的負載電流，集電極電流的計算如下： 電感電流的平均值等于負載電流 Io ，則有 IoILIL ??2 m inm a x ，流過開關(guān)管的電流平均值為 IoDTtonIoTtonILILI ??????? 2 m i nm a x ，忽略開關(guān)管導通壓降，有 m inm a x ILtonL VoViIL ??? ，整理方程消去 minIL 得到 tof fLVoIoIL 2m a x ?? （ 9）式 流過開關(guān)管的最大電流應等于電感電流的最大值，則 tof fLVoIoIcm 2?? ，額定輸出電流為 A1 ，算出集電極電流小于 A2 在開關(guān)管截止時，電源的全部輸入電壓都加在開關(guān)管的集電極和發(fā)射極兩端。所以其耐壓值就必須大于集電極的輸入電壓，同樣考慮到電網(wǎng)波動和開關(guān)瞬間濾波電感所產(chǎn)生的浪涌電壓，取其耐壓值為輸入電壓的 2 倍。 輸入電 壓為 ，則開關(guān)管耐壓應大于 2 ?? v ，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，選擇的晶體管型號為 D882，耐壓值 40V，集電極電流 3A，功率 10W。 濾波電容的選擇 電容的 濾波原理是：利用 電容 在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑 。 濾波一方面盡量降低輸出電壓中的第二章 開關(guān)電源方案設計 15 脈動成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電 壓。 濾波電容決定輸出電壓的紋波，電源通電后，電容器充電，電壓值迅速上升到最大值，由于電感電流仍小于輸出電流，電容向負載放電，電壓下降，產(chǎn)生紋波，在一個脈沖周期中，電容所釋放的電量為 TIo? ，設紋波電壓峰峰值為pVp?? ，則有 CTIopVp /???? ? TIo PVpC ???? （ 10）式 任務要求為 ,1,100 AIomvpVp ???? 脈沖頻率為 25 千赫茲，即周期為 us40 ufAvC 410401 6 ????? ?，取電容量為 470uf 的鋁電解電容。 儲能電感的選擇 開關(guān)管飽和導通時，其飽和壓降可以忽略，則電感感應電動勢為 ton ILILLVoVi m inm a x ??? （ 11）式 ? m inm a x )( ILIL VoVitonL ??? （ 12）式 電感電流變化量和負載電流的變化量相等，為了使電感電流在負載電流最小時，仍保持連續(xù)，取 m in2m inm a x IoILIL ?? ， minIo 為負載最小電流。代入式（ 11）得 tonIo VoViL min2 ?? ，根據(jù) DViVo?fViVoton?? ，則電感的計算為 )1(m in2 ViVofIoVoL ?? （ 13）式 負載電流最小值為 安， k H zfvVivVo 25,12 ??? 代入公式，算得電感量為 ,取電感量為 100uH ，電感量越大，儲能就越大，因為是在高頻下工作，電感選用磁鐵心電感，為防止電感飽和，選擇飽和電流為 2A。 續(xù)流二極管的選擇 根據(jù) Buck 變換器的工作原理，開關(guān)截止時，續(xù)流二極管 導通，電感的磁能轉(zhuǎn)換為電能，二極管起到續(xù)流的作用，二極管正向額定電流須大于負載電流，其耐壓值必須大于輸入電壓，同時為了使二極管的截止到導通的轉(zhuǎn)換時間盡量的短，選擇超快恢復二極管，根據(jù)本次設計的要求，選擇電流大于 , 耐壓大于物理與電子工程系畢業(yè) 論文 16 30v 的肖特基二極管。 第三章 硬件電路設計 17 第三章 硬件電路設計 電源電路設計 開關(guān)電源設計包括輸入整流濾波電路、開關(guān)變換電路、輸出整流濾波電路、采樣電路，保護電路。 整流濾波電路 市電經(jīng)過變壓器降壓 后，變?yōu)?12v，對該電壓整流后一部分電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓，另外將其通過 7805 得到 5v 的電壓，給開關(guān)電源控制電路部分的單片機提供工作電源。 電路中采用發(fā)光二極管作為電源指示燈，交流 220v 降壓后經(jīng)過整流橋整流輸出直流電壓作為開關(guān)變換電路的輸入電壓， 7805 穩(wěn)壓輸出 5v給單片機提供電源。 圖 開關(guān)變換電路 功率開關(guān)管采用達林頓管，由于它采用兩個三極管進行級聯(lián)，其放大倍數(shù)是兩個管子放大倍數(shù)的乘積，因而具有很高的放大倍數(shù)，通過級聯(lián)，可獲取大的電流輸出，對于提高電源的 輸出功率，有一定的作用。該開關(guān)管選擇為 PNP型，當控制脈沖的低電平時，開關(guān)導通，電感存儲能量，開關(guān)把電路的輸入電壓變成高頻脈沖，當控制脈沖為高電平時，開關(guān)截止，電感把所存儲的能量釋放給負載。為了確保電感電流能在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中保持連續(xù)，選用肖特基二極管作為續(xù)流二物理與電子工程系畢業(yè) 論文 18 極管選用，這種二極管具有較快的導通截止恢復時間，在開關(guān)導通變?yōu)榻刂箷r，能夠很快的由截止轉(zhuǎn)換到導通，所以能夠確保電感電流連續(xù)。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質(zhì)電容，另外，可以通過并聯(lián)兩個電容來獲得低的等效串聯(lián)電阻，假設輸出濾波電 容選擇為 470UF，則可以取大于該數(shù)值一半多的電容量的電容來并聯(lián)，例如，可以取兩個 250UF 的電容，來并聯(lián)。 圖 開關(guān)電路與輸出整流濾波電路 分壓電阻的計算 開關(guān)控制電路是根據(jù)輸出的變化對開關(guān)電路進行控制的，因此需要設計分壓器，通過反饋可以使輸出電壓保持穩(wěn)定。反饋分壓電阻的確定：設檢測電流為1mA，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準電壓為 5v，輸出電壓 12v，分壓器的下臂電阻這樣計算： R2=5v/=5 千歐姆， 考慮到電阻有一定的誤差，假設電阻為 1%的誤差，即 5 千歐姆的電阻，其電阻值為 千歐姆，則實際的檢測電流就可以計算出來： Is=5v/=, 這樣分壓器上臂電阻為： R1=（ 125） /=。 這樣分壓器設計完成，在這里選用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0832 來采集電壓，并反饋到單片機，該轉(zhuǎn)換器的基準電壓和它的 Vc 電壓一樣，均為正 5伏。 保護電路 如圖 所示，在實際應用中常常會出現(xiàn)因為一時疏忽或誤操作而導致的燒壞芯片情況，因此設計一個優(yōu)秀的產(chǎn)品，應該具有良好的保護功能，過壓保護是一個很好的選擇， 在這次設計中，考慮到成本問題，采用過電流保護。 第三章 硬件電路設計 19 其原工作理為：在電源輸出端，設置負載電流檢測電阻 R0，通過 R0將負載電流 Io 變成過流檢測電壓 IoRoVo ?? ,三極管作為過流控制管，當開關(guān)電源負載電流 vRoIo ?? 時，過流控制三極管導通，電源輸出電壓由過流控制管集電極輸出，觸發(fā)晶閘管導通，將開關(guān)電源負載短路，實現(xiàn)保護。該電路有自鎖功能，一旦負載電流增大的持續(xù)時間超過 C1 的充電時間，電路觸發(fā)后，即使負載電流恢復正常，也不能解除保護狀態(tài)，必須關(guān)斷電源， 排除過流因素，晶閘管才能復位。電路中 Ro 阻值的選擇根據(jù)負載電流保護閾值而定，一般 Ro 取電阻值極小，在開關(guān)電源正常負載電流時其壓降不足 。 R1和 C1 構(gòu)成保護啟動延時電路，以免開機瞬間負載電流沖擊造成誤動作。下圖中，電感和輸出端電容之間的部分是保護電路。 圖 過流保護電路 控制電路設計 控制電路采用 89c51，該芯片有 32 個可編程的 I/O 口，在此介紹需要用到的單片機管腳功能。 RST：復位輸入，當振蕩工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個周期以上高電平將使單片機復位。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。即使不用訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或定時目的。需要注意的是：每當訪問外部存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 EA/VPP：外部訪問允許。當訪問外部存儲器時， EA 必須保持低電平。訪問內(nèi)部物理與電子工程系畢業(yè) 論文 20 存儲器時， EA 端接高電平。 振蕩電路 本次設計采用的是石英振蕩電路，外接電容 C C2 的容量的大小的取值會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的工作穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn) 定性，如果使用陶瓷振蕩器，應選擇容量為 30— 50PF，對于石英晶體，選擇 20— 40PF，這里我們選擇電容為 22PF，晶振為 24M 赫茲。 復位電路 單片機復位電路有上電復位，按扭脈沖復位，按扭電平復位。上電復位是利用器充電實現(xiàn)。電阻取 1k，電容取 22uf。 本次設計在調(diào)試過程中使用的是 89S51，該單片機與 MCS51 系列完全兼容，工作頻率 0到 33M 赫茲，支持系統(tǒng)編程，只需要從電腦引出幾根線即可。該燒寫器電路及用戶界面，均可以從網(wǎng)上獲取。 反饋電路設計 反饋電路使用 ADC0832 采樣輸出電壓，該器件 只能轉(zhuǎn)換 0到 5伏的電壓，超過了會燒毀芯片，當要采集大的電壓時，可以通過電阻分壓再采樣，在程序中再乘以一個分壓系數(shù)，以代表輸出電壓值。 圖 ADC0832管腳圖 串行接口 8位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0832 具有串行輸入輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，與單片機的接口僅用幾根通用 I/O，所以接線簡單而得到越來越多的應用， 8051 單片機由于位操作功能比較強，便于軟件實現(xiàn)串行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片接口程序，大大簡化電路設計提高可靠性。 ADC0832 是串行接口 8 位逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，單 5V 供電且兼作基準電壓，當 CLK=500KHz 時轉(zhuǎn)換時間為 16μ S，具有 2路單端或 1 路差分輸入。其管腳排列如圖所示。 CS為片選信號輸入端，低電平有效，高電平模數(shù)轉(zhuǎn)換停止。每次模數(shù)轉(zhuǎn)換， CS 必須由高變低，然后輸入控制字信息。 CH0 為模擬量輸入通道 0；CH1 為模擬量輸入通道 1； DI 為數(shù)據(jù)信號串行輸入端； DO 為數(shù)據(jù)信號串行輸出端；CLK 為時鐘信號輸入端。數(shù)據(jù)在 CLK 的上升沿移入，在 CLK的下降沿移出； GND為接地端， VCC 接 +5精密電源，同時也作為轉(zhuǎn)換的參考電壓。 第三章 硬件電路設計 21 控制字格式為： D0 為工作方式選擇位， D0=