【正文】 功率開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例(占空比)，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的[4]。 開(kāi)關(guān)電源的基本功能框圖，交流線路電壓無(wú)論是來(lái)自電網(wǎng)的，還是經(jīng)過(guò)變壓器降壓的，首先要經(jīng)過(guò)整流、濾波電路變成含有一定脈動(dòng)電壓成分的直流電壓，然后進(jìn)入高頻變換部分。各種形式的電源電路的基本功能塊是相同的，只是完成這些功能的技術(shù)手段有所不同。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等。（4）維護(hù)和再設(shè)計(jì)：當(dāng)軟件投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，一方面可能會(huì)發(fā)生各種現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，因而需要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行改造和完善；另一方面，用戶往往會(huì)由于環(huán)境或技術(shù)條件的變化，提出比原計(jì)劃更多的要求，因而需要對(duì)原系統(tǒng)軟件進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)充，然后再重新固化，以適應(yīng)情況變化的要求。（3）文件編制：文件編制是用流程圖、注釋、存儲(chǔ)器分配說(shuō)明等方法來(lái)描述程序來(lái)形成文件，以便用戶和操作人員了解。 軟件設(shè)計(jì)步驟（1）系統(tǒng)定義：就是清楚地列出系統(tǒng)的各個(gè)部分與軟件設(shè)計(jì)有關(guān)的特點(diǎn)，并進(jìn)行定義，以作為軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)，系統(tǒng)定義是對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的描述。模塊化程序設(shè)計(jì)是把整個(gè)系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分成若干個(gè)模塊，并且對(duì)劃分的模塊可進(jìn)一步詳細(xì)劃分，直到最下層的每個(gè)模塊能相對(duì)獨(dú)立且容易編程為止。（3）模塊化程序設(shè)計(jì)：模塊實(shí)質(zhì)就是具有一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段。（2）自頂向下的程序設(shè)計(jì)：這種設(shè)計(jì)方法是先從系統(tǒng)一級(jí)的管理程序開(kāi)始設(shè)計(jì)，從屬的程序或子程序用一些程序符號(hào)來(lái)代替。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)規(guī)定任何程序序列必須由直線順序結(jié)構(gòu)，條件結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)基本形式組成。本次設(shè)計(jì)利用C語(yǔ)言作為主程序，分別調(diào)用了AD轉(zhuǎn)換子程序，PWM子程序，編碼器中斷子程序，串口中斷子程序，數(shù)碼管LED顯示子程序。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖26所示。軟件的設(shè)計(jì)就是對(duì)串口、顯示、編碼器、PWM、ADC這五個(gè)模塊的控制。保存該電壓編號(hào)，讀對(duì)應(yīng)電壓，并將電壓值送到STC12C5616AD單片機(jī)并且用數(shù)碼管顯示。接著電源應(yīng)該顯示和輸出上次關(guān)機(jī)前的電壓大小，這時(shí)候MCU先讀取EEPROM中保存的電壓編號(hào)，根據(jù)電壓編號(hào)讀出對(duì)應(yīng)電壓，把該數(shù)據(jù)送到STC12C5616AD單片機(jī)，再轉(zhuǎn)換成BCD碼送到顯示部分。 軟件設(shè)計(jì)思路軟件設(shè)計(jì)完成的主要功能有三部分：設(shè)置輸出電壓；檢測(cè)輸出電壓；顯示輸出電壓。編碼電位器與STC12C5616AD單片機(jī)相連，編碼電位器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的編碼，STC12C5616AD單片機(jī)對(duì)I/O口電平進(jìn)行定時(shí)采樣，以識(shí)別出編碼電位器的編碼，再由單片機(jī)按編碼電位器的編碼方法進(jìn)行解碼，從而獲得輸入的電壓值。兩個(gè)單片機(jī)之間的通信則選用單片自帶的UART，UART具有布線簡(jiǎn)單，編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)自定義了一些通信協(xié)議。信號(hào)的給定則用PWM的方式進(jìn)行D/A輸出，對(duì)PWM進(jìn)行二階濾波后，信號(hào)的輸出電壓Uo=DU，其中U為PWM波形的高電平值。信號(hào)給定部分：本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)單片機(jī)同時(shí)協(xié)調(diào)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(lái)控制，也可分別從兩個(gè)誤差放大器的輸入端送入，通過(guò)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(guò)PWM 比較器進(jìn)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(yán)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(kāi)關(guān)變壓器變送過(guò)來(lái)的高頻脈動(dòng)電動(dòng)勢(shì)不能直接用于輸出，需要對(duì)功率PWM波進(jìn)行高頻整流濾波。MOSFET的工作需要有專用的驅(qū)動(dòng)電路，由MOSFET的各個(gè)參數(shù)算出選擇IR2110作為MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。功率變換部分：本設(shè)計(jì)選用隔離式開(kāi)關(guān)變壓器，隔離式開(kāi)關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件，并通過(guò)MOSFET功率管對(duì)300V直流電壓進(jìn)行PWM斬波，送入到高頻開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)行功率的變換及傳送。系統(tǒng)主要包括控制開(kāi)關(guān)電源模擬電路部分和單片機(jī)組成的數(shù)控部分。 主體思路采用C8051F350單片機(jī)和STC12C5616AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于控制PWM的不對(duì)稱半橋式功率變換器的數(shù)字控制， 實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓的設(shè)定和步進(jìn)的連續(xù)調(diào)整，最大輸出電流為5A。方案二：使斬波器斬波頻率與開(kāi)關(guān)變壓器的頻率相匹配。方案一：降低開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)的輸出整流管VD2的損耗，進(jìn)而提高變換效率?；谏鲜隹紴V及題目的具體要求，本設(shè)計(jì)選用PWM調(diào)制方式[2]。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。本設(shè)計(jì)采用方案二。 開(kāi)關(guān)電源的一般框圖 DCDC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案一：主回路采用非隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（），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。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 方案論證開(kāi)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。工作頻率為100KHz200KHz的高頻開(kāi)關(guān)于上世紀(jì)80年代初期己開(kāi)始研制，90年代初就已研制成功，并逐漸走向?qū)嵱秒A段進(jìn)一步提高工作頻率。我國(guó)于1974年研制成功了工作頻率10KHz，輸出電壓為5V的無(wú)工頻降壓型開(kāi)關(guān)電源。由于人們?cè)谏詈凸ぷ髦械囊苿?dòng)性越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器等便攜式產(chǎn)品的需求將越來(lái)越大，預(yù)計(jì)2010年全球所有便攜式產(chǎn)品的出貨量將達(dá)到45億個(gè)，這些產(chǎn)品構(gòu)成了電源管理芯片巨大的需求市場(chǎng)。據(jù)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2008年全球電源管理芯片銷售額將上升至295億美元，%，功率模擬器件將持續(xù)強(qiáng)勁地增長(zhǎng)，PC、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3以及數(shù)字電視成為最主要的增長(zhǎng)市場(chǎng)。它的電源管理單元Flex PMU是一個(gè)單芯片的解決方案，設(shè)有一個(gè)在一起的供電區(qū)。 （5）多功能2005年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)宣布推出一款可為先進(jìn)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)。 （2）低功耗隨著各種整機(jī)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)和社會(huì)對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，功耗問(wèn)題逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)，電源管理和電源控制市場(chǎng)成為整個(gè)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(dòng)電源管理器件市場(chǎng)的穩(wěn)步發(fā)展。尤其是未來(lái)越來(lái)越多的中國(guó)產(chǎn)品將出口到國(guó)外，需要滿足歐美等國(guó)的電源標(biāo)準(zhǔn)，這將促進(jìn)中國(guó)企業(yè)對(duì)高效電源的需求。 （1）高效電源管理從以前的線性設(shè)計(jì)到當(dāng)今的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，是高效電源發(fā)展的一種集中體現(xiàn)。 電源技術(shù)的發(fā)展方向開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化、小型、薄型、輕運(yùn)化。一般說(shuō)來(lái)，開(kāi)關(guān)電源的重量是線性電源的1/4，相應(yīng)的體積大概是線性電源的1/3。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。通過(guò)上面的分析我們可以看到，與線性電源相比，開(kāi)關(guān)電源輸出精度高，轉(zhuǎn)換效率高，性能可靠。首先是功率MOSFET的問(wèn)世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。多年來(lái)，由于技術(shù)上的障礙(高壓，大功率)，開(kāi)關(guān)電源集成電路在集成化上一直因一種電流模式PWM開(kāi)關(guān)電源控制器的設(shè)計(jì)得不到很大的進(jìn)步。功率開(kāi)關(guān)管工作在飽和區(qū)截止區(qū)，即工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電源因此而得名。開(kāi)關(guān)電源就是開(kāi)關(guān)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(dá)到50%的效率就不容易了，這些白白消耗掉的功率還帶來(lái)散熱問(wèn)題。線性電源的主要問(wèn)題在于：輸出精度低、效率低、散熱問(wèn)題大以及很難在一個(gè)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。利用數(shù)字電位器代替可調(diào)電阻，可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制的可編程開(kāi)關(guān)電源。便于構(gòu)成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)。它是以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，采用“整合數(shù)字電源”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。數(shù)字電源的推廣，為實(shí)現(xiàn)智能化電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有力條件。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控，處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復(fù)雜的電源要求。美國(guó)加州能源委員會(huì)（CEC）制定的強(qiáng)制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)已從2006年7月1日開(kāi)始執(zhí)行，它要求電子產(chǎn)品必須大幅降低待機(jī)功耗和空載功耗。與此同時(shí)，綠色節(jié)能電源的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也被普遍采用。PI公司最近宣布，由于使用該公司EcoSmar技術(shù)的單片開(kāi)關(guān)電源IC，可為全球消費(fèi)者節(jié)約大約20億美元大的電費(fèi)。 綠色節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源 目前，國(guó)外許多著名的IC廠家都在大力開(kāi)發(fā)低功耗，節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源集成電路。目前，開(kāi)關(guān)電源正朝高效節(jié)能，安全環(huán)保、短、小、輕、薄的方向發(fā)展。1977年脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成電路的問(wèn)世，1994年單片開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世，為開(kāi)關(guān)電源的推廣和普及創(chuàng)造了條件。目錄第一章 緒論 1 系統(tǒng)背景 1 綠色節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源 1 智能化數(shù)字電源 1 可編程開(kāi)關(guān)電源 2 電源技術(shù)的發(fā)展與方向 2 線性電源和開(kāi)關(guān)電源 2 電源技術(shù)的發(fā)展方向 3 開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)前景和研究現(xiàn)狀 4第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 5 方案論證 5 DCDC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 5 控制方法及實(shí)現(xiàn)方案 6 主體思路 6 軟件設(shè)計(jì)思路 8 9 9 9 程序設(shè)計(jì)方法 10 軟件設(shè)計(jì)步驟 10第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源 11 輸入電路設(shè)計(jì) 12 電壓整流技術(shù) 12 輸入濾波電容 12 輸入浪涌保護(hù)器件 13 輸入尖峰電壓保護(hù) 14 功率變換電路設(shè)計(jì) 14 隔離全橋推挽變換電路 14 推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算 16 19 19 20 20 20 21 21 功率管MOSFET及其驅(qū)動(dòng) 21 功率管MOSFET 21 驅(qū)動(dòng)電路 23 死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì) 27 輸出電路設(shè)計(jì) 28 PWM濾波電路設(shè)計(jì) 28 檢測(cè)保護(hù)電路設(shè)計(jì) 30 PWM控制電路 31 TL494的結(jié)構(gòu)和性能 31 輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入 34 單片機(jī)控制模塊 35 C8051F350系列單片機(jī)特點(diǎn) 35 STC12C5616AD特點(diǎn) 37 STC12C5616AD應(yīng)用 37 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431 39 單片機(jī)雙機(jī)串行通信 40 人機(jī)交換模塊 41 41 LED顯示器的顯示方式 42 數(shù)碼管顯示電路原理 42 74HC595芯片性能 42第五章 系統(tǒng)調(diào)試 43 系統(tǒng)調(diào)試 43 系統(tǒng)調(diào)試的一般步驟 44第六章 總結(jié)與建議 46結(jié)束語(yǔ) 47致謝 49附錄1部分程序代碼 50附錄2硬件附圖 57III第一章 緒論 系統(tǒng)背景開(kāi)關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。1955年發(fā)明的自激推挽式晶體管單變壓器直流變換器，率先實(shí)現(xiàn)了高頻轉(zhuǎn)換控制功能；1957年發(fā)明的自激推挽式雙變壓器，1964提出的無(wú)工頻變壓器式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，有力地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)步。與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的頻率也從最初的20KHz提高到幾千赫茲至幾兆赫茲。各種新技術(shù)、新工藝和新器件如雨后春筍，不斷問(wèn)世，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用也日益普及。例如，美國(guó)PI公司采用EcoSmart節(jié)能技術(shù)，開(kāi)發(fā)的TOPSwitchGX等系列的單片開(kāi)關(guān)電源。荷蘭Philips公司推出的TEA1520等系列的綠色芯片，都將高效節(jié)能放在重要位置。例如，美國(guó)早在1992年就制定了“能源之星”計(jì)劃，以降低開(kāi)關(guān)電源的空載功耗。 智能化數(shù)字電源21世紀(jì)初問(wèn)世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良特性和完備的監(jiān)控功能，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。此外，數(shù)字電源還可以通過(guò)遠(yuǎn)程診斷來(lái)確保系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性，包括故障管理，過(guò)電流保護(hù)以及避免停機(jī)等。數(shù)字電源的特點(diǎn)有下面幾點(diǎn)。能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。 可編程開(kāi)關(guān)電源可調(diào)式開(kāi)關(guān)電源都是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值來(lái)改變穩(wěn)壓器輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便，數(shù)字電位器（Digital Potentiometer）亦稱數(shù)控電阻器（Digitally Controlled Potentiometer），可簡(jiǎn)稱為DCP。 電源技術(shù)的發(fā)展與方向 線性電源和開(kāi)關(guān)電源線性穩(wěn)定電源，其特點(diǎn)是:它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。通過(guò)輸入調(diào)整器可以使輸出精度增加，但這更增加功率消耗，并使效率更低。如果要使線性電源在一個(gè)通用輸入電壓范圍(85V—265VAC)工作，會(huì)導(dǎo)致線性電源的效率更低。它和線性電源的根本區(qū)別在于它的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。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠。但是最近這幾年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，能將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件。因此目前可以通過(guò)集成復(fù)雜的功能電路來(lái)進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的性能和安全性，這包括熱保護(hù)電路、限流電路、過(guò)/欠壓保護(hù)電路等。除此之外，開(kāi)關(guān)電源最大的優(yōu)勢(shì)還在于能夠大幅縮小變壓器的體積和重量，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源的變壓器工作于50KHz到1MHz的高頻條件下，而不是像線性電源中的那樣工作于50Hz的低頻狀態(tài)，因此縮小了變壓器的體積和重量，而這也就縮小了整個(gè)電子系統(tǒng)的體積和重量。如果把工作頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍，用電設(shè)備的體積重量可以下降至工頻設(shè)計(jì)的510%，其主要材料可節(jié)約90%或更高。因此，開(kāi)關(guān)電源代替線性電源是大勢(shì)所趨[1]。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國(guó)外目前都在致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。各國(guó)積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源規(guī)范，也是推動(dòng)高效節(jié)能電源、低待機(jī)能耗產(chǎn)品應(yīng)用的主要?jiǎng)恿?。?duì)于便攜式電源管理，效率尤為重要。 （3）智能化運(yùn)用電源管