【正文】 出電壓、電流 通過 A/D轉(zhuǎn)換給 單片機 ，單片機 反饋給 LCD1602， 顯示屏上出現(xiàn)輸出電壓電流值。 4) 當輸 出電流大于 時，單片機就會啟動過流保護功能，通過控制 IRF1405的截止來避免電路損壞。 3) 設(shè)定輸出電壓值。 2) 測試輸出的電流、電壓并顯示結(jié)果。目前，該設(shè)計硬件 設(shè)計已經(jīng)基本完成。 本章小結(jié) 本章分別對 主電路、控制電路，保護電 路和顯示電路各模塊的元件進行分析、計算與選擇，并應(yīng)用軟件畫出相應(yīng)的原理圖。采用的升壓二極管恢復(fù)速度快，損耗小，而且還增加了濾波電路，降低了紋波。 DCDC 電路輸入電壓 UIN=*U22V=16V， 信號占空比 D≈1UIN/UO=， 輸入電流有效值 IIN=IO/（ 1D） =， 輸出功率 PO=UO*IO=72 W 下面計算電路中的損耗 P 損耗 ： 1) Boost 電路中電感的損耗 121 DCRIP INDCR ?? 其中， DCR1為電感的直流電阻，取為 50 mΩ，代入可得 PDCR1= W 2) Boost 電路中 開關(guān)管的損耗 PSW=*UIN*IIN（ tr+tf） *f 其中， tr是開關(guān)上升時間，為 190ns,tf是開關(guān)下降時間，為 110ns,f 是開關(guān)頻率，為 20 kHz,代入可得 PSW= W 導(dǎo)通損耗 ））（（ S N SD S O NINC RRIDP ??? 其中，導(dǎo)通電阻 RDSON=77 mΩ，電流感應(yīng)電阻 RSNS取 Ω，代入得 PC= W 3) 肖特基二極管的損耗 流過二極管的電流值與輸出電流 I0相等，則二極管損耗 DOD VIP ? 其中， IO=2 A,取二極管壓降 VD為 V，代入可得 PD= W 4) 采樣電阻上的損耗 PRTEST2=Io^2*RTEST2 其中， Io=2A,RTEST2=，代入可得 PRTEST2= 5) Boost 電路中電容的損耗： 輸出電流有效值 IORMS=*IIN*[D(1D)]^(1/2) 代入數(shù)據(jù)得 IORMS= 電容的損耗 PCO1=IORMS^2*ESR/2 等效串聯(lián)電阻 ESR 取為 10 mΩ，代入得 PCO1= 6) 輸出濾波電路的損耗 電容的損耗與 PCO1相同 PCO2= 電感的損耗 PDCR2=IO^2*DCR2 其中， DCR2 為電感的直流電阻，取為 50 mΩ，代入 PDCR2= 綜上，電路中的總損耗功率 P 損耗 = DCDC 變換器的效率 η= PO /（ PO+P 損耗 ） =% 基于 51 單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 14 系統(tǒng)特色 該系統(tǒng)采用多種高性能器件完成設(shè)計，其中突出的優(yōu)勢有以下幾點： 1) 采用高性能，低功耗的高效單片機，不需要外部的晶振及復(fù)位電路，連線簡單，功能齊全，是一款功能十分強大的單片機，可省掉外部的 EEPROM,高速ADC8 通道 10 位，速度可達 30 萬次 /秒， 3 路 PWM 還可當 3 路 D/A 使用，內(nèi)部具有掉電喚醒功能，具有超強的抗干擾，抗靜電能力。 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/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U1STC15F2K60S21 2 3 4 5 6 7 8 9J112345678910111213141516J2VCCVCCVCC1K+470uF VCCGNDS1S2GND顯示部分PWMA/D 圖 35 單片機及顯示電路連接 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 效率的分析及計算 第 二章中已指出，提高效率是該設(shè)計的總體要求，效率的高低決 定著該電子設(shè)備 的價值。 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[ 。 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)。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發(fā)生誤動作，因此加入逐波防鎖電路，如下圖（ b） ]8[ 。 此過流保護是在開關(guān)每個開斷周期內(nèi)都會對電流進行檢測，檢測到過流時便強行 關(guān)斷，防止開關(guān)場效應(yīng)管被燒壞。 輸出濾波如圖 33。電流信號在放大后反饋給單片機經(jīng)過 A/D 采樣。 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。電流比較大，加入過流保護以 免線路燒壞影響工作，電壓通過單片機反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，保護電壓。因此，需在系統(tǒng)中加入保護電路。 榆林 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 32 單片機引腳 的設(shè)計 在電子設(shè)備 的設(shè)計中，不僅要達到所需的要求，還要保 證產(chǎn)品能夠穩(wěn)定的工作。 此單片機 具有超低功 耗，超低價，高速，可靠，超強抗靜電，抗干擾等多個優(yōu)點 ,功能十分強大，完全 符合該設(shè)計的要求，因此選擇此單片機作為設(shè)計的主控制器 ]6[ 。 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 。該單片機采用 STC 第八代加密技術(shù)，是新一代 8051 單片機，增強型的 8051CPU 的運行速度比普通 8051 快 8 到 12 倍。 單片機的選擇： 單片機根據(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，單片機與采樣電路相結(jié)合，將為系統(tǒng)提供各種保護措施，并實現(xiàn)輸出電壓、輸出電流的測量和顯示。 以上器件的選擇確定了 主電路，原理圖如 31 所示。 電容的參數(shù)計算 ： CB=IO(UOUIN)/(UO△ U/T) 基于 51 單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 10 其中， ΔUO為負載電壓變化量，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。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。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)=。選擇合適的 MOS 管，柵極驅(qū)動器的負載能力必須足夠大，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。F。 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。 基于 51 單片機的開關(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。 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)定運行，加入必要的保護電路，整理方案畫出系統(tǒng)的整體框圖。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。綜合考慮后，我們把開關(guān)頻率設(shè)定為 20kHz。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。 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、負載電流大等特點。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。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。因此，我們需要提高效率來實現(xiàn)系統(tǒng)的最大利用化。整理得出系統(tǒng)的總體框圖如 23所示 。為了能夠進行穩(wěn)定運行，還需要加入一些保護電路，保護電路可以使設(shè)計運行更可靠，系統(tǒng)更安全。 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。這種方案實現(xiàn)起來較為靈活，可以通 過調(diào)試來達到自己所需的要求，此設(shè)計理所當然對本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。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)定和步進調(diào)整，很難實現(xiàn)設(shè)計中的這一要求。因此，還需要選擇一個合理的控制方案。在如今這個電子科技不斷發(fā)展的時代，升壓斬波電路也一定會不斷發(fā)展，有更廣泛的發(fā)展空間 。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為 U0=(T/toff)*E，可以通過調(diào)節(jié)占空比來改變輸出電壓 ]4[ 。當開關(guān)處于斷態(tài)時， E 和 L 共同向 C 充電，同時向 R 提供能量。 圖 22 BOOST 斬波電路拓撲結(jié) 升壓斬波電路的基本原理：分析 Boost 電路時，首先要假設(shè)電感和電容都足夠大。 圖 21 間接直流變流 電路 方案二：采用以 BOOST 為核心的升壓電路， 如圖 22， 利用單片機輸出 PWM驅(qū)動 MOS 管，控制開關(guān)管的通斷， 這種電路 輸出電壓范圍寬，而且也相對穩(wěn)定，單片機低功耗、 成本低、 抗干擾性強的特點，更好地提高了系統(tǒng)的效率。 方案一：采用變壓器升壓的隔離型 PWM 直流－交流 直流變換器電路，這種方法制作的電路效率比較低 ,開關(guān)輻射 /紋波比較大，電路也比較復(fù)雜。 基于 51單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源 設(shè)計 4 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 2 方案論證與比較 主回路拓撲 設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源，首先要確定主電路方案，主電路是整個電路設(shè)計的核心 ，選擇一個合適的主電路是設(shè)計成功的關(guān)鍵。 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 本章小結(jié) 本章主要介紹了研究開關(guān)穩(wěn)壓電源的意義、國內(nèi)外發(fā)展狀況及本次設(shè)計的主要內(nèi)容。根據(jù)設(shè)計要求以及主電路的結(jié)構(gòu)，對電路中各參數(shù)進行計算。通過按鍵調(diào)節(jié)占空比的大小，輸出可調(diào)電 壓 30V～ 36V，最大輸出電流可以達到 2A，電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率盡可能低， DCDC變換器的效率達到 80%以上。 本設(shè)計主要內(nèi)容 本設(shè)計通過變壓、整流和濾波得到一個穩(wěn)定 15V直流電壓，然后以 Boost斬波電路為核心，采用 51單片機輸出 PWM控制開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)了 DC— DC變換。為了有更 高的開關(guān)頻率，就得采用高速的開關(guān)器件 ]3[ 。因此，在電源市場競爭中具有相當大的優(yōu)勢，并有少量的產(chǎn)品已經(jīng)開始出口。我國目前開關(guān)電源自主研發(fā)及其生產(chǎn)廠家已達 300 多家，形成規(guī)模的就有十多家。值得指出的是，電力系統(tǒng)直流操作電源的應(yīng)用，國家投資 4000 億元用于城市網(wǎng)、農(nóng)村網(wǎng)的供電工程的改 變、提高輸配電供電質(zhì)量，它已經(jīng)開始用開