【正文】 0 ADC0832 與單片機(jī)的接口電路 ................................................................................. 31 圖 321 四位數(shù)碼顯示電路 .................................................................................................... 32 圖 41 顯示子程序流程圖 ..................................................................................................... 36 圖 42 單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 ........................................................................................... 38 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 插表清單 表 3 1 EE 型磁芯參數(shù) .......................................................................................................... 16 汪強(qiáng)：基于單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì) 4 第 1 章緒論 開關(guān)電源工作原理 開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)電源的工作原理可以用圖 11 進(jìn)行說明。這個(gè)脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。 開關(guān)電源直流輸出 電壓 Uo 與輸入電壓 Ui 之間有如下關(guān)系： Uo=UiD (12) 由式 (11)和式 (12)可以看出，若開關(guān)周期 T 一定，改變開關(guān) S 的導(dǎo)通時(shí)間 n0T ，即可改變脈沖占空比 D，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。由于 PWM 式的開關(guān)頻率固定，輸出濾波電路比較容易設(shè)計(jì)，易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，因此 PWM 式開關(guān)電源用得 較多。由于該方式的開關(guān)頻率不固定，因此輸出濾波電路的設(shè)計(jì)不安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。在各種開關(guān)電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應(yīng)用 。其中 DC/DC 變換器用以進(jìn)行功率 變換，它是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是 PWM 信號、 PFM 信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開關(guān)信號的幅值、 頻率、 波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差通過誤差 放大器進(jìn)行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時(shí)間，從而調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的負(fù)載變換瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端 LC 濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關(guān)頻率、 降低輸出濾波器 LC 的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在 80%～ 90%，高的可達(dá) 90%以上 ； (2) 重量輕。開關(guān)電源的交流輸入電壓在 90~270 V 內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓的變化在 177。合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率 ； （ 4）安全可靠。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在 20 kHz以上，因此濾波 元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是，由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，因此采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性 [2]。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(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關(guān) 電源的輕、小、薄。各國積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源規(guī)范，也是推動高效節(jié)能電源、低待機(jī)能耗產(chǎn)品應(yīng)用的主要?jiǎng)恿Ατ诒銛y式電源管理，效率尤為重要。 （ 3）智能化 運(yùn)用電源管理程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)電控制也是非常有效而可行的方法，目前大多數(shù)筆記本，普遍采用這種智能節(jié)電管理技術(shù)，它是利用軟件的方法對各主要耗電部件的用電狀態(tài)控制，對暫不工作的部件減少甚至停止供電。在日益競爭的時(shí)代，提供高效整合體積的解決方案勢在必行，且應(yīng)以整體電源方案為用戶降低成本，提升效 能與可靠度。它具有可編程的靈活性，可為采用 ARM 技術(shù)的應(yīng)用及通信處提供穩(wěn)定的供電。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 方案論證 開關(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。 C 1V D 1輸 入 整 流 濾 波 器TV T功 率 開 關(guān) 管 及 高 頻 變 壓 器V D 2LC 2輸 出 整 流 濾 波 器UU oP W M比 較 器振 蕩 器U r e f誤 差 放 大 器P W M 調(diào) 節(jié) 器直 流 電 壓2 0 k H z ~ 1 M H z5 0 H z直 流 電 壓 圖 21 開關(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)（如圖 22 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。本設(shè)計(jì)采用方案二。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(shè)計(jì)選用 PWM 調(diào)制方式 [2]。 方案一：降低開關(guān)變壓器次級的輸出整流管 VD2 的損耗，進(jìn)而提高變換效率。 方案二：使斬波器斬波頻率與開關(guān)變壓器的頻率相匹配。 主體思路 采用 80C51 單片機(jī) 對基于控制 PWM 的不對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。系統(tǒng)框圖如圖 24 所示 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 輸入電路部分： 首先由一個(gè)壓敏電阻對輸入的市電進(jìn)行尖峰電壓限幅，然后由一個(gè)扼流線圈對輸入浪涌電流進(jìn)行限流，再由全橋整流濾波電路將輸入電壓轉(zhuǎn)化成 300V 直流電壓。 驅(qū)動電路部分：高壓側(cè) MOSFET 選用 IRFPF50，低壓側(cè)選用 IRF540 和 IRF5305。 IR2110 是多通道，輸出電流為 2A 的 MOSFET 驅(qū)動芯片，其各個(gè)指標(biāo)都滿足本設(shè)計(jì)的要求。由 PWM 控制器的輸出 PWM 的頻率可知，整流管的開關(guān)頻率必須大于 500KHz。經(jīng)過元器件的選型與比較，本設(shè)計(jì)選用 MUR3060PT肖特基二極管。 PWM 控制部分：由開關(guān)電源專用控制芯片 TL494 控制 PWM 的輸出， TL494 的振蕩頻率由其 6 引腳的 RC 值決定，約為 f=（ RC）。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí) ， TL494 輸出的脈沖寬度也隨之改變 ， 從而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 Ton ， 達(dá)到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的 反饋檢測部分： 輸出電壓經(jīng)過電壓采樣、電流采樣后送到 TL494 的反饋輸入端，從而達(dá)到控制脈沖寬度的調(diào)制。兩個(gè)放大器可獨(dú)立使用 ， 如分別用于反饋穩(wěn)壓和過流保護(hù) 。 89C51 單片機(jī)主要是對功率電路的控制和對輸出電壓、電流的采樣反饋。電網(wǎng) 整流濾波 變壓 整流 驅(qū)動放大 MOSFET斬波 PWM調(diào)制 主機(jī) 反饋檢測 輸出 A/D 圖 24 系統(tǒng)總框圖 汪強(qiáng)：基于單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì) 10 PWM 選用 16 位計(jì)數(shù)方式，則 D/A 的分辨率為 1/65535，此分辨率完全滿足了本設(shè)計(jì)的要求。開關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲能元件，在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲能，在開關(guān)管截止時(shí)，電感釋放能量給負(fù)載。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(jī)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(yīng)電壓，更新脈寬后，單片機(jī)會馬上調(diào)用 PID 控制算法，對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。 同時(shí)，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(shè)定電壓為 Vs，當(dāng) V0=Vs 時(shí)，偏差為 0，單片機(jī)不進(jìn)行脈寬更新，當(dāng)電網(wǎng)波動導(dǎo)致輸出增加時(shí)，即 V0Vs 時(shí) ,單片 機(jī)采樣的電壓也增加，單片機(jī)根據(jù)偏差修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從 而使電壓下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動使輸出電壓下降時(shí)，即V0Vs 時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使導(dǎo)通時(shí)間變長，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來進(jìn)行穩(wěn)壓。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等。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。開關(guān)電源的基本功能框圖如圖 31 所示?，F(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國際市場的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源必須要適應(yīng)世 界范圍的交流輸入電壓，通常是 180260v 的范圍。如圖 32 所示?，F(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國際市場的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是 180260v 的范圍。 輸入濾波電容 在交流輸入電壓最低時(shí)，整流濾波后的直流電壓的脈動值 Vpp 是最低輸入交流電壓峰值的 20%25%。 相電壓有效值： Vline(min) ～ Vline(max)： 220V*（ 15%～ 20%） =176～ 253V 相電壓峰值： 2 Vline(min) ～ 2 Vline(max)： 249～ 358V 整流濾波后直流電壓的最大脈動值： Vpp= 2 Vline(min)*（ 20%～ 25%） =50V（單相） 整流濾波后的直流電壓 Vin:（ 2 Vline(min)Vpp）～ 2 Vline(max) 為了保證整流濾波后的直流電壓最小值 Vin(min)符合要求，每個(gè)周期中 Cin 所提供的能量約為： Win= Pinf = PinAf? = =(焦耳 ) 每個(gè)半周期輸入濾波電容所提供的能量為： 2Win =12 Cin[( 2 Vline(min))2Vin(min)2] （ 31） 因此 輸入濾波電容容量為： Cin=Win/(( 2 Vline(min))2Vin(min)2)=713? F （ 32） 上式中，變壓器轉(zhuǎn)換率 ? =70%，由于我們提供的是單相輸入則： A=1，頻率 f=40KHZ。所以必須在電源的輸入端采取一些限流措施，才能有 效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。如果不采取任何保護(hù)措施，浪涌電流可接近幾百安培。用以增加對交流線路的阻抗，把浪捅電流減小到安全值。 熱敏電阻技術(shù)：這種方法是把 NTc(負(fù)溫度系數(shù) )的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過橋式整 流后的直流線上。當(dāng)開關(guān)電源接通時(shí)，熱敏電阻的阻值基本上是電阻的標(biāo)稱值。當(dāng)電容開始充電時(shí)，充電電流流過熱敏電阻，開始對其加熱。這樣，就不會影響整個(gè)開關(guān)電源的效率。比如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時(shí)的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。 另一方面，電感性開關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式： ILW ?? 221 （ 33） 式 33 中 L 是電感器的漏感， I 是通過線圈的電流。 用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻 (MOV)瞬態(tài)電壓抑制器。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上，在選擇壓敏電阻時(shí)應(yīng)按下述步驟進(jìn)行。 上述幾步完成后， 就可以根據(jù)壓敏電阻參數(shù)資料選擇合適的壓敏電阻器件。在電路中，它是以變壓器的形式出現(xiàn)的，但實(shí)際上它起的作用是扼流圈。在全波整流輸出的 LC 儲能濾波電路中可以省去一個(gè)續(xù)流二極管，因?yàn)橛糜谌?整流的兩個(gè)二極管可以輪流充當(dāng)續(xù)流二極管的作用 。 圖 ）表示控制開關(guān) K2 接通時(shí)，變壓器初級線圈 N2 繞組兩端 的電壓波形 。 圖 ）表示開關(guān)變壓器次級線圈 N3 繞組兩端輸出電壓經(jīng)全波整流后的電壓波形。 圖 ） 中，實(shí)線波形對應(yīng)控制開關(guān) K1接通時(shí)，開關(guān)變壓器次級線圈 N3繞組兩端輸出 電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形；虛線波形對應(yīng)控制開關(guān) K2接通時(shí)，開關(guān)變壓器安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 次級線圈 N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形。 圖 ） 中 ，僅用儲能電容對整流輸出電壓進(jìn)行濾波，是很難從脈動直流中取出輸出電壓的平均值的，必須同時(shí)使用儲能濾波電感才能取出輸出電壓的平均值 。 時(shí)為 00 DFInUI TnUL ii ???? （ 34） 或 00 為DFInUI TnUL ii ???? （ 35） 同時(shí)可以求得輸出電壓 Uo 為：