【正文】 在這一瞬間，電感儲能為： LT onVoVeLIWL 2/)(21 222 ??? ，輸入電壓通過電感對電容充電，充電的電量為 LtonVoVeT onILQ 2/)(m a x**211 2??? 23 在此期間，輸入給電路提供的能量為 Lto nVoVeVeQVeW 2/)( 2?????? 24 廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 14 （ 4）式經(jīng)過變換得： 22 )])()[( to nVeVoVeVoVeW ?????? / L2 QVoLIL ??? m a x21即是電感中儲存的磁能和電容儲存的電能。假設開關管的導通時間為 Ton ,截止時間為 Toff ,并且開關管和電感為理想元件，則 D V iUiT o ffT o nT o nVo ??? *)/( ,其中 TT o nT o ffT o nT o nD /)/( ??? 為開關的脈沖占空比。當電感電流下降到 Io 時，電容停止充電，此時電容上電壓達到最大值。隨著電感電流的繼續(xù)上升，電容開始充電， Vo從最低值開始上升。 廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 13 D 31 N 5 8 1 7 Q 1 v t 1L 11 0 0 u HC 44 7 0 u f電 路 的 輸 入 電 壓脈 寬 調 制 信 號 輸 入輸 出 電 壓 圖 Buck變換器 當開關管導通時，電感上的電流處于最小值，此后電感電流開始上升，但電流仍低于負載電流 Io，于是電容仍向負載供電，因此輸出電壓下降。電容起到平滑輸出的作用。 當開關管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。 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。隔離電路采用高頻變換器件和高頻隔離變壓器。高頻變換電路把直流輸入變換成高頻脈沖輸出。//input 為鍵盤輸入值 ,r 為轉換后的數(shù)字量 就是說使預置的 0到 12v的轉換為 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。這就是標度變換技術。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。 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。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)。 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 ）。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。 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。// 輸出高電平 D++。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。 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。 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。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，單片機會馬上調用 PID控制算法，對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。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。 總體結構設計 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。 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。 方案 2分析： 采用脈沖寬度調制 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。 方案分析 方案 1分析： 采用脈沖頻率調制 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節(jié)占空比。本設計采用方案二 。 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。開關電源的一般結構框圖如圖 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。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。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。 （ 3）穩(wěn)壓范圍寬。 （ 2）體積小，重量輕。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)，轉換速度快，頻率一般在 50到 200 千赫茲。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。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。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成正比。 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。 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。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。 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）。2021 年達到 1027億元，增長 %。 開關電源是電子電源的主要大類產(chǎn)品，由于其小型化、重量輕、功率密度 /轉換效率高、輸入電壓范圍廣、熱消耗較少等眾多種優(yōu)點，并得益于電子產(chǎn)品輕薄短小的需求趨勢，其發(fā)展迅速，迅速取代線性電源普及于各種電子產(chǎn)品領域。應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、 LED 照明、工控設備、通信設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器 ,電子冰箱 ,液晶顯示器 ,LED 燈具 ,通信設備 ,視聽產(chǎn)品 ,安防 ,電腦機箱 ,數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領域。應用于科研、大專院校、實驗室、工礦企業(yè)、電解、電鍍、充電設備等領域。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化，其噪聲也必將隨著增大，而用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，使得多項技術得以實用化 開關電源的市場前景和研究現(xiàn)狀 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 ,得到脈動直流電后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電。對聯(lián)高可靠性指標，美國的開關電源生產(chǎn)商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。 SMT 技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小薄。 開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。 高頻化使開關電源小型化，并使開關電源更進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。正是因為這么多的集成電路 (IC)進入電源領域，人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術。電源集成電路逐步成為功率半導體器件中的主導器件，把電源技術推向了電源管理的新時代。多年來，由于技術上的障礙 (高壓，大功率 )，開關電源集成電路在集成化上一直因一種電流模式PWM 開關電源控制器的設計得不到很大的進步。功率開關管工作在飽和區(qū)截止區(qū)，即工作在開關狀態(tài)，開關電源因此而得名。 開關電源就是開關型直流穩(wěn)壓電源，它的電路形式要有單端反激式、單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。線性電源要達到 50%的效率就不容易了，這些白白消耗掉的功率還帶來散熱問題。線性電源的主要問題在于：輸出精度低、效率低、散熱問題大以及很難在一個通用的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但最主要的缺陷還是在體積和重量上。通常，線性電源效率只有 45%到 50%左右，因此提高電源效率是未來電源設計，應著重解決的問題，而開關電源能夠很好的解決這個問題，開關電源的功率開關管是工作在開關狀態(tài)的，也就是，只是在開關管導通時，管子才會產(chǎn)生損耗，因此開關電源的效率比線性電源要高得多，通?？梢赃_到 80%以上，本設計選擇開關電源作為研究對象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關系，假定輸入基本穩(wěn)定，利用單片機控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過 A/D 轉換，采樣輸出電壓，使用 LCD 顯示，通過鍵盤預置電壓，實現(xiàn)可調 開關電源的制作。利用數(shù)字電位器代替可調電阻，可構成由計算機控制的可編程開關電源。此外，數(shù)字電源還可通過遠程診斷來確保系統(tǒng)長期工作的可靠性，包 括故障管理、過電流保護以及避免停機等。 它是以數(shù)字信號處理器 (DSP)或微控制器 (MCU)為核心，將數(shù)字電源驅動器及 PWM 控制器作為控制對象而廣西工 學院畢業(yè)設計專用紙 3 構成的智能化開關電源系統(tǒng)。 智能化數(shù)字電源 進入 21 世紀后， 關電源正朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。隨著科技的發(fā)展以及單片機的出現(xiàn)，使得設計出一個綠色節(jié)能的開關電源已經(jīng)算不上是難事。例如，早期的 36W 電源適配器的待機功耗為 2W 左右，而效率僅為 78%。實用化在 1966 年前后，電路種類很多，直到 10 年前，開關電源才被分為幾個基本拓撲： BUCK 降壓型： 象單管正激、雙管正激、全橋、 LLC 電路都是 BUCK 的變形； BOOST 升壓型： 象 PFC用得最多， BUCKBOOST 型： 即可降壓，也可以 升壓，反激電路就是 BUCKBOOST 的一種理想版本； CUK 電路： 這是美國 CUK 先生在 30 年前的發(fā)明，實現(xiàn)零紋波輸出的電源，但一直未能成為主流。另外開關電源的發(fā)展與應用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日 益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。 開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。因此，克服開關電源產(chǎn)生的各種噪聲干擾，是我們要努力解決的第三個問題。 在開關電源中，由于功率晶體管工作在開關狀態(tài)， 當開關速度提高后，會受到電路中分布電感、電容成分或二極管中儲存的電荷的影響而產(chǎn)生較大的浪涌和噪聲，其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產(chǎn)生較強的尖峰干擾和諧波干擾，這些尖峰電壓或電流可能會損壞電路的器件，同