【正文】 0 功率開關管的調(diào)試.............................................30 電源性能指標的測試................................................31 開關電源的技術指標...........................................31 輸出電壓的測試...............................................32 最大輸出電流的測試...........................................33 過流保護的測試...............................................33 電壓調(diào)整率的測試.............................................34 紋波電壓的測試...............................................346 結論 .......................................................35致謝 ..........................................................36參考文獻 ......................................................37附錄（子程序和電路圖）........................................ .38廣西工學院畢業(yè)設計專用紙1緒論開關電源是利用現(xiàn)代電子電力技術控制功率開關管（MOSFET；三極管）的導通和關斷的時間比來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。具有電能轉換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點。并采用 PID 算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構成可輸出 0v到 15v 的可調(diào)電壓，并顯示實時電壓和預置值，通過鍵盤可隨時修改 PID 參數(shù)以優(yōu)化控制效果。目前電子設備的日益小型化需要供電電源的小型化，這樣制作小型化電源是未來電源制作的一個趨勢，傳統(tǒng)開關電源線路一般很復雜體積也較大，如果使用的單片機作為控制核心必將可以大大簡化電源的結構，制作更加小的電源將成為可能，并且使用單片機可以擴展許多功能，如顯示，實時控制調(diào)整電壓，可維護性強，由于目前國內(nèi)有專門的 PWM 輸出的單片機價格昂貴，普通的單片機 I/O 口模擬的脈寬頻率較低，速度較慢，遠遠達不到現(xiàn)代電源要求的工作頻率，所以目前單片機控制的電源使用并不廣泛，但是單片機在智能化以及可實現(xiàn)的用戶友好界面，擴展性強等等方面的優(yōu)勢使其成為未來電源重要的發(fā)展方向。隨著半導體技術和微電子技術的高速發(fā)展，集成度高、功能強大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、體積更小、重量更輕的開關電源，使之能滿足電子設備的日益小型化的需要。開關電源的效率是與開關管的變換速度成正比的，要進一步提高開關電源的效率，就要提高電源的工作頻率。進一步研制生產(chǎn)出適合于高頻工作的開關管、高頻電容、開關變壓器、儲能電感等元器件是開關電源設計所面臨的另一個問題。雖然也可以采取一些抑制干擾的措施，在一定程度上降低這些干擾的影響，但目前階段的精密電子儀器中，仍難以使用開關電源。廣西工學院畢業(yè)設計專用紙21 概述 課題環(huán)境背景隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入 80 年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入 90 年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。開關電源第一次出現(xiàn)在 1955 年，Royer 電路。 綠色節(jié)能型開關電源早期的開關電源因為技術不夠成熟，待機功耗大且效率低。如何降低開關電源的的功耗和提高開關電源的效率是全球能源行業(yè)共同關注的問題。尤其在 06 年之后美國推出了“能源之星”計劃后，對開關電源的設計以及制造業(yè)產(chǎn)生了推波助瀾的作用。最近剛問世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良的特性和完備的監(jiān)控功能，正引起人們的關注。數(shù)字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復雜的電源要求。 可編程開關電源可調(diào)式開關電源都是通過手動調(diào)節(jié)電阻值來改變穩(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） ，可簡稱為 DCP。傳統(tǒng)電源存在不足的地方，例如，傳統(tǒng)電源效率不高，線性電源由于功率管是工作在線性放大狀態(tài)，功率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當輸出電流越大時，功耗就越大。 電源技術的發(fā)展與方向 線性電源和開關電源線性穩(wěn)定電源，其特點是: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通用輸入電壓范圍(85V—265VAC)工作，會導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。開關電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠。上世紀 80 年代，提出了電源制造中電力電子集成概念，明確了集成化是電力電子技術未來發(fā)展的方向，是解決電力電子技術發(fā)展面臨障礙的最有希望的出路。電源管理集成電路分成電壓調(diào)整器和接口電路兩方面。 電源技術的發(fā)展方向從日常生活到最尖端的科學都離不開電源技術的參與和支持，而電源技術和產(chǎn)業(yè)對提高一個國家勞動生產(chǎn)率的水平，即提高一個國家單位能耗的產(chǎn)出水平，具有舉足輕重的作用。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(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。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各在開關電源制造商都致力同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（MnZn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。開關電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的 PWM 開關技術進行創(chuàng)新，實現(xiàn) ZVS、ZCS 的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。 　 　 模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設計成 N+1 冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴展。要達到高精度的直流電壓,必須經(jīng)過穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。廣西工學院畢業(yè)設計專用紙5開關電源(Switching power supply)是利用現(xiàn)代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制 IC 和 MOSFET 構成。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開關電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了開關電源的發(fā)展,產(chǎn)品不斷向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠的方向發(fā)展。根據(jù)中國電源學會收集整理的數(shù)據(jù)，2022 年全國開關電源(主要包含消費類開關電源、工業(yè)類開關電源、通信電源、PC 電源)產(chǎn)值達到 855 億元，2022 年達 931 億元，增長 %。按開關電源應用領域細分，占據(jù)全行業(yè)產(chǎn)出份額第一的是工業(yè)類開關電源，2022 年達到全行業(yè)產(chǎn)值的比重為 56%，居第二位的是消費類開關電源，占 32%，通信開關電源占 6%，個人電腦開關電源占 3%。開關電源的核心部分是一個直流變換器。 圖 所示電路的工作過程為：假設基準電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動導致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會減少，此時，所采樣的電壓將減小，假設為 ，誤差為，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個誤差，提高占空比使輸出電壓增大，同理，當由于電網(wǎng)波動導致輸出電壓增大時，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定。線性電源是發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。造成這些缺點的原因是：（1）線性電源中功率晶體管 V 在整個工作過程中，一直工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。這樣功率晶體管的功耗就會隨電源的輸出功率的增加而增大。 （2）線性電源使用了 50 赫茲的工頻變壓器，他的效率只有 80%90%。 開關電源的優(yōu)點（1）功耗小，效率高。這就使得功率開關管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達到 80%以上。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關電源的體積和重量都可以得到減小。開關電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進行補償。（4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。 系統(tǒng)方案論證開關電源具有較快的發(fā)展，從而產(chǎn)生了不同的設計思路。圖 開關電源的一般框圖單片機控制的開關電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。 +VinPWMVout圖 非隔離式 DCDC 結構 方案 2主回路采用隔離推挽式拓撲結構（如圖 所示） ，輸入與輸出電氣不相連，通過開關變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實驗室使用。 +Vout+圖 隔離式 DCDC 結構 方案 3方案 3：單片機擴展 A/D 轉換器，不斷檢測輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤預置電壓的差值，輸出一個 PWM 脈沖，直接控制電源的工作。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?；谏鲜隹紴V及題目的具體要求，本設計選用 PWM 調(diào)制方式。綜上所述，本設計選擇第三種控制方案，單片機使用 89C52，A/D 芯片采用ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤預置電壓，設計任務要求輸出可調(diào)，所以設定值需要從鍵盤輸入，實現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電壓。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管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉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。單片機定時采樣輸出端的電壓，通過 ADC0809 送進單片機進行處理，單片機根據(jù)處理結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管工作狀態(tài)。 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。廣西工學院畢業(yè)設計專用紙10整流濾波電路 開關變換電路 整流濾波電路單片機控制電路輔助電源LCD 顯示ADC0809 取樣電路鍵盤預置圖 單片機控制開關電源系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)難點分析 如何提高電源工作頻率困難分析：現(xiàn)代開關電源的工作頻率已經(jīng)可以達到 300 千赫茲，本次設計雖然采用了 24M 赫茲的晶振頻率，可以通過單片機定時輸出 40 千赫茲的頻率，但是開關電源要求的是單片機的處理速度要足夠快，51 系列的單片機，即使使用 24M 的晶振，相對于開關電源需要很快開關工作頻率，它的速度仍是比較慢的，而且這里單片機還需要做采樣電壓，掃描鍵盤，PID 控制等等很多的工作，那么單片機就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機可以通過定時器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲的頻率，但是定時器中斷產(chǎn)生的脈沖的有效電平，即占空比是不能夠改變的，只能是 50%，要設計輸出可調(diào)的開關電源，顯然行不通。改變 D，T 的值可以改變脈沖頻率，改變 D 值可以控制占空比。算法為：D=100，T=1000；//定義變量，并賦值，占空比為 100/1000=10%VOID tim0 ()//定時中斷{=1。//同時計數(shù) T++。 儲能電感的繞制使用儲能電感目的在于，在功率開關管截止時，為負載存儲能量，電氣上的作用是把開關方波脈沖積分成直流電壓。需要自己繞制，所需最小電感值可以由公式計算 式中 為估計最大輸入電壓下，開關管導通時間，)ax(inIoutTVL??on根據(jù)設計前輩們的經(jīng)驗，估計為開關周期的 30%是比較合適的。 ， 為鐵心中的Kc1?cBmcjILp??磁通密度。BmeLNI?廣西工學院畢業(yè)設計專用紙12 標度轉換技術本次設計使用了 ADC0809，這種芯片只能采樣 0 到 5V 的電壓，所采集回來的電壓對應的是 0 到 255 的數(shù)字量，而用戶從鍵盤輸入的是電壓值，為了進行比較，需要經(jīng)過標度轉換，轉換為數(shù)字量，以得到同樣的單位量綱。所有這些參數(shù)都需要通過變送器轉換為電信號，再通過 A/D 轉換器或者 V/F 變換器轉換為計算機所能處理的數(shù)字量。如同樣是數(shù)字量 255，可能表示的是 5V 的直流電壓，也可以表示其他的量；即使是相同的量綱，如果變化范圍不同，相同的數(shù)字量表示的模擬量也是不同的，數(shù)字 0 所以控制系統(tǒng)在進行顯示、打印、記錄和報警等操作時，必須把這些數(shù)據(jù)轉換成相應的不同量