【正文】 數(shù)，用每度百分比 (％／ c)表示。本設(shè)計采用負溫度系數(shù) (NTc)的熱敏電阻 [5]。 通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是利用電阻一雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；另一種方法是采用負溫度系數(shù) (NTc)的熱敏電阻。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的，在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間，電容對交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下，只是電容的 E5R 值。 輸入浪涌保護器件 隔離式開關(guān)電源在加電時，會產(chǎn)生極高的 浪涌電流。設(shè)輸入交流電壓的變化范圍為 Vline(min) ～ Vline(max)，頻率 f=40khz。 220V市電經(jīng)整流橋整流以后 ，變?yōu)榧s 300V 的脈動電壓，再由濾波電容平滑濾波后，得到較為平直的 300V 直流電壓，以給開關(guān)變壓器供電。 C502220uFC501220uFC503HVCCHGND44331122扼流 24mHT114K681RK~2~3+14工頻整流橋DB1LLNN100pFCHK 圖 32 輸入電路原理圖 汪強：基于單片機的開關(guān)電源設(shè)計 12 電壓整流技術(shù) 在前面已經(jīng)提到，隔離式開關(guān)電源是直接對輸入的交流電壓進行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器。 220V市電經(jīng)整流橋整流以后，變?yōu)榧s 300V 的。 I G B T 逆變高 頻 變壓 器輸 出 整流P W M 驅(qū)動輸 出 濾波輸 出輸 入 濾波輸 入 整流A / D單 片 機P W M 控制 器電 壓 反饋 圖 31 開關(guān)電源的基本功能框圖 輸入電路設(shè)計 前面已經(jīng)提到，隔離式開關(guān)電源是直接對輸入的交流電壓進行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器。隔離式高頻開關(guān)電源電路的共同特點就是具有高頻變壓器，直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的脈沖電壓整流濾波而來。在設(shè)計電源時，設(shè)計者采取哪種變換器電路形式， 主要根據(jù)成本、要達到的性能指標等因素來決定。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 隔離式高頻開關(guān)電源 隔離式開關(guān)電源的變換器具有多種形式。 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(yù)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(shè)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。單片機定時采樣輸出端的電壓，通過 ADC0832 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(guān)管工作狀態(tài)。 軟件設(shè)計思路 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(guān)管，以 便得到期望的輸出電壓值 ，并 根據(jù) A/D 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。信號的給定則用 PWM 的方式進行 D/A 輸出，對 PWM 進行二階濾波后，信號的輸出電壓 Uo=DU，其中 U 為 PWM 波形的高電平值。 信號給定部分：本設(shè)計選用單片機控制系統(tǒng)的工作。 脈沖調(diào)寬電壓可由 3 腳直接送入的電壓來控制 ， 也可分別從兩個誤差放大器的輸入端送入 ， 通過比較、放大 ， 經(jīng)隔離二極管輸出到 PWM 比較器的正相輸入端。 振 蕩器產(chǎn)生的鋸齒形振蕩波送到 PWM 比較器的反相輸入端 ， 脈沖調(diào)寬電壓送到 PWM 比較器的同相輸入端 ， 通過PWM 比較器進行比較 ， 輸出一定寬度的脈沖波。 MUR3060PT 肖特基二極管正向傳輸損耗低，而且不存在反向恢復(fù)損耗。又由于輸出電流較大，整流管的壓降損耗嚴重，因此要選擇低導(dǎo)通壓降的快恢復(fù)二極管。 輸出電路部分：高頻開關(guān)變壓器 變送過來的高頻脈動電動勢不能直接用于輸出，需要對功率 PWM 波進行高頻整流濾波。MOSFET 的工作需要有專用的驅(qū)動電路，由 MOSFET 的各個參數(shù)算出選擇 IR2110 作為MOSFET 的驅(qū)動電路。 功率 變換部分：本設(shè)計選用隔離式開關(guān)變壓器，隔離式開關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件，并通過 MOSFET 功率管對 300V 直流電壓進行 PWM 斬波，送入到高頻開關(guān)變壓器進行功率的變換及傳送。系統(tǒng)主要包括控制開關(guān)電源模擬電路部分和單片機組成的數(shù)控部分。改變控制器的開關(guān)頻率使得開關(guān)變 壓器的磁損耗達到最小，以提高電源的轉(zhuǎn)換效率。可以選擇肖特基二極管，其正向傳輸損耗低，而且不存在反向恢復(fù)損耗。 提高效率的方法及實現(xiàn)方案 針對提高效率的問題，使用了如下兩種方案。 方案二：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(guān)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電壓和噪聲。 +Vout+ 圖 23 隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 控制方法及實現(xiàn)方案 方案一 :采用脈沖頻率調(diào)制 FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開關(guān)頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。 +V i nP W MV o u t 圖 22 非隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 汪強：基于單片機的開關(guān)電源設(shè)計 8 方案 二：主回路采用隔離推挽式拓撲結(jié)構(gòu)（如圖 23 所示），輸入與輸出電氣不相連，通過開關(guān)變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實驗室使用。開關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示，本設(shè)計通過對不同的方案的對比得出了最佳方案的設(shè)計。它的電源管理單元 Flex PMU 是一個單芯片的解決方案，設(shè)有一個在一起的供電區(qū)。 （ 5）多功能 2022 年，美國國家半導(dǎo)體公司 (NS)宣布推出一款可為先進應(yīng)用及通信處理器提供供電的電源管理產(chǎn)品。 （ 4）高集成 便攜式應(yīng)用的空間十分有限，這就迫使電源供應(yīng)商把更多功能集成到更小的封裝內(nèi)，或者把多路電壓轉(zhuǎn)換集成到單芯片封裝內(nèi)。 汪強：基于單片機的開關(guān)電源設(shè)計 6 （ 2）低功耗 隨著各種整機設(shè)備市場規(guī)模的不斷增長和社會對環(huán)保問題 的日益重視，功耗問題逐漸成為關(guān)注熱點，電源管理和電源控制市場成為整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最為活躍的領(lǐng)域之一，降低電子產(chǎn)品功耗這一需求，將推動電源管理器件市場的穩(wěn)步發(fā)展。尤其是未來越來越多的中國產(chǎn)品將出口到國外，需要滿足歐美等國的電源標準，這將促進中國企業(yè)對高效電源的需求。 （ 1）高效 電源管理從以前的線性設(shè)計到當今的開關(guān)電源設(shè)計，是高效電源發(fā)展的一種集中體現(xiàn)。 開關(guān)電源發(fā)展方向 開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實現(xiàn)模塊化、小型、薄型、輕運化。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè)置各種形式的保護電路，因此當電源負載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保障其功 能可靠 ； (5) 功耗小。2%以下。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量只有同容量線性電源的 1/5，體積也大大縮小了 ； (3) 穩(wěn)壓范圍寬。 開關(guān)電源的特點 開關(guān)電源具有如下特點： (1) 效率高。 DC/DC 變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的 PWM 變換器以及工作波形為準正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動、 過流過壓保護、 輸入濾波 、 輸出采樣、 功能指示等電路。 開關(guān)電源的組成 開關(guān)電源的基本組成所示。既改變 n0T ，又改變 T，實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。若保持 n0T 不變，利用改變開關(guān)頻率 f=1/T 實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓 Uo 穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。 T 不變，只改變 n0T 來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。 U iSU i0T O N U 0t0t0( b )V( a )U 0 (a) 電路圖； (b) 波形圖 圖 11 開關(guān)電源的工作原理 為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下 ` TTD ON? (11) 式中， T 表示開關(guān) S 的開關(guān)重復(fù)周期； TON 表示開關(guān) S 在一個開關(guān)周期中的導(dǎo)通時間。圖中輸入的直 流不穩(wěn)定電壓 Ui 經(jīng)開關(guān) S 加至輸出端， S 為受控開關(guān)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管，若使開關(guān) S 按要求改變導(dǎo)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。 PWM。 Pulse Width Modulation。單片機將設(shè)定值傳輸給 PWM 控制器，通過PWM 控制器控制 MOSFET 斬波電路從而控制輸出， PWM 控制器使用 TL494, 本次設(shè)計中使用的控制策略為 PID 算法。 在設(shè)計中對輸入進行了濾波同時還進行了輸入保護的設(shè)計，對功率變換電路進行了著重介紹 ,逆變電路使用 MOSFET 斬波電路進行逆變，對高頻變壓器的相關(guān)參數(shù)進行了計算，使用 IR2110 對 MOSFET 斬波電路進行驅(qū)動。安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 I 安徽工程大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 專 業(yè)： 題 目： 基于單片機的開關(guān)電源 設(shè)計 作 者 姓 名 ： 導(dǎo)師及職稱 ： 導(dǎo)師所在單位： 2022 年 6 月 13 日 汪強：基于單片機的開關(guān)電源設(shè)計 II 摘 要 本次設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)一個開關(guān)電源，開關(guān)電源在日常生活中應(yīng)用非常廣泛，比如 電視機、電腦、冰箱以及其他常用的電子產(chǎn)品都需要開關(guān)電源，如今是數(shù)字化時代，用單片機實現(xiàn)電子產(chǎn)品十分方便，所以在這次設(shè)計中使用了單片機實現(xiàn)。本設(shè)計提出了一種基于脈沖寬度調(diào)制 (PWM)高效率、低功耗開關(guān)電源直流電壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法 , 采用全橋、降壓、推挽回路為主電路拓撲，單片機對輸出電壓和電流進行采樣形成高精度的電壓電流反饋。 單片機控制部分使用 80C51 單片機進行控制，對反饋的電壓值進行顯示，可以通過鍵盤對輸出電壓值進行設(shè)定實現(xiàn)人機交換。 關(guān)鍵詞 ： TL494；脈寬調(diào)制；開關(guān)電源； PWM； MOSFET 斬波 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 III Abstract This design of main purpose is to achieve a switching power supply, switching power supply is widely used in daily life in, such as televisions, puters, refrigerator and other monly used electronic products require power supply, now is The digital age, electronic products achieved with SCM very convenient, so the design used in this MCU. This design is a design method of DC voltage switching power is proposed which is based on PWM modulates and has high efficiency and low power loss. It uses entire bridge, voltage dropping and pushpull to return route as primarily electric circuit topology. MCU carries on the sampling to the output voltage and the electric current to form a high accuracy voltage and current feedback. In the design while filtering the input we also make an Input protection design. The design focuses on the power conversion circuit. Inverter circuit uses MOSFET chopper c