【正文】 制芯片 TL494，開關(guān)電源升壓主回路，A/D 以及 D/A，鍵盤輸入和輸出顯示 模塊等 組成。安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于單片機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 摘 要 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源 。 具有高效率、體積小的特點(diǎn) ,廣泛應(yīng)用于各種通信、 電子、電器設(shè)備領(lǐng)域中 。 系統(tǒng) 以 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，DCDC 變換 由 Boost 升壓變換器實(shí)現(xiàn) ， 電路結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高 ， 實(shí)現(xiàn) 電壓可預(yù)置，步進(jìn)電壓為 1V，輸出電壓范圍為 3036V，輸出電流 為 02A， 由 LCD 液晶 管顯示輸出電壓和電流。本系統(tǒng)具有調(diào)整速度快，精度高，電壓調(diào)整率低，負(fù)載調(diào)整率低，效率高，輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。性能好的電子設(shè)備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定 度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越，那么設(shè)備的壽命更長。 眾所周知，許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開電源，并且在這些實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)對(duì)通電時(shí)間、電壓高低、電流大小以及動(dòng)態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求，然而目前實(shí)驗(yàn)所用的直流電源大多輸出精度和穩(wěn)定性不高；在測量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)碼管來顯示電壓或電流，搭配電位器來調(diào)整所要的電壓及電流輸出值。因此，如果直流電源不僅具有良好的輸出質(zhì)量而且還具有多功能以及一定的智能化，以精確的微機(jī)控制取代不精確的人為操作，在實(shí)驗(yàn)開始之前就對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，這將會(huì)給各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)研究帶來不同程度的便捷與高效。從上世紀(jì) 90 年代以來開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源。 目前，在小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，普遍采用專用集成芯片控制脈寬調(diào)制技術(shù)。 針對(duì)這一現(xiàn)狀，現(xiàn)設(shè)計(jì)開關(guān)電源， 采用 AT89S52單片機(jī)為控制核心， 技術(shù)指標(biāo)為：輸出電壓 30V至 36V可調(diào)，最大輸出電流為 2A，能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整、步進(jìn)值 1V，并能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓和電流的開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)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。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新 ， 這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。 開關(guān)電源的發(fā)展歷史 開關(guān)穩(wěn)壓電源（以下簡稱開關(guān)電源）取代晶體管線性穩(wěn)壓電源（以下簡稱線性電源）已有 30 多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型 開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。 線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為 20kHZ的 PWM 開關(guān)電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為 20kHZ革命。因此對(duì)開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量要小。 開關(guān)電源的分類 開關(guān)電源種類繁多，按不同的標(biāo)準(zhǔn)，大致有以下幾種分類法： 按激勵(lì)功率開關(guān)晶體管的方式來分 自激型，開關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管； 他激型，功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止由外加激勵(lì)信號(hào)控制。 按功率開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形式來分 非隔離型，主電路中無高頻變壓器； 隔離型，主電路 中有高頻變壓器，具有軟開關(guān)特性的諧振型。 按控制方式來分 電壓控制型，反饋回路中提取輸出端的電壓作為反饋信號(hào)； 電流控制型，不單提取了輸出端的電壓作為反饋信號(hào)，還另外構(gòu)造 ? 個(gè)以電流為控制信號(hào)的反饋回路。 開關(guān)電源的發(fā)展方向 小型、薄型、輕量化 由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵使高頻化，因此，國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別使改善二次整流管的損耗、變壓器及電容小型化，并同時(shí)采用表面安裝（ SMT）技術(shù)在電路板兩面布置元器件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。采用軟開關(guān)技術(shù)可以使效率達(dá)到 85％～ 88％ 。追求壽命的延長要從設(shè)計(jì)方面著手，而不是從使用方面著想。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)大容量。采用部分諧振變換技術(shù)，在原理上說明可以高頻化，又可以低噪聲。 抗電磁干擾（ EMI） 當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時(shí)，其噪聲通過電 源線產(chǎn)生對(duì)其他電子設(shè)備干擾，世界各國已有抗 EMI 的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。中央處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可自動(dòng)診斷故障，減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。輸入輸出隔離的方式雖然安全，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會(huì)造成效率的降低，而本題沒有要求輸入輸出隔離，所以選擇非隔離方式，具體有以下幾 種方案： 方案一： 降壓斬波電路（ Buck Chopper） 。該電路屬于降壓型電路，達(dá)不到題目要求的 3036V的輸出電壓。 圖 21 降壓斬波電路 方案二：升壓斬波電路（ Boost Chopper）。只要電感繞制合理，能達(dá)到題目要求的 3036V，且輸出電壓 0U 呈現(xiàn)連續(xù)平滑的特性。 圖 22 升壓斬波電路 姚海東：基于單片機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 6 圖 23 升壓降壓電路 方案三：升降壓斬波電路（ BoostBuck Chopper）。用電感的儲(chǔ)能特性來實(shí)現(xiàn)升降壓，電路控制復(fù)雜。 由于本題只需升壓，故選擇方案二。根 據(jù) A/D 后的反饋電壓程控改變占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。該方案主要由軟件實(shí)現(xiàn)，控制算法比較復(fù)雜，速度慢，輸出電壓穩(wěn)定性不好，若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。芯片內(nèi)部有兩個(gè)誤差比較器，一個(gè)電壓比較器和一個(gè)電流比 較器。 鑒于上面分析，選用方案二。 AT89C51 價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單 ,且資料豐富。 方案二：采用 AT89S52 單片機(jī)進(jìn)行控制。 鑒于上面分析，選用方案二。 LED 雖然 在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面都更具優(yōu)勢 ；但是 因?yàn)榧啥雀?的 LED，其 分辨率一般較低，價(jià)格也比較昂貴 。比較適用于本設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)整體框圖 鑒于上面的分析，系統(tǒng)的整體框圖如圖 24 所示。 本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路把交流電轉(zhuǎn)化成直流電，如圖 31 所示。由于還需要進(jìn)行 DCDC 的 精 確變換，對(duì)直流的要求不是很高，所以在整流后只 加上 一個(gè)電容進(jìn)行 濾波，以減小整流后直流電中的脈動(dòng)成分。 圖 32 整流與濾 波后的電壓波形圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 DCDC 主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 如圖 33 所示。 圖 33 DCDC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 34 中， T 管的工作狀態(tài)受 Bu 的控制 。 所以 ， 無論 T 和 D 的狀態(tài)如何 ， 負(fù)載電流方向始終不變 。 在其工作原理下 ， 當(dāng)開關(guān)晶體管導(dǎo)通期間 ， 輸入電壓 Ui 加到儲(chǔ)能電感 L 的兩端 (這里忽視了 T 的飽和壓降 )， 二極管 DV 因被反向偏置而截止 。 在這期間 LI 的變化值為 姚海東：基于單片機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 10 △L1I= LUt ion* () 在開關(guān) 晶體管 T 截止時(shí) ， 儲(chǔ)能電感 L 兩端的電壓極性相反 ， 此時(shí)二極管 DV 被正向偏置而導(dǎo)通 。 在此期間 L中的泄放電流 LI 是鋸齒形電流的線性下降部分 ， 這期間電流 LI 變化 △12LI= LUt ioff * () 同理 ， 當(dāng)開關(guān) 晶體管 T 的導(dǎo)通期間在儲(chǔ)能電感 L中增加的電流數(shù)值應(yīng)該等于開關(guān)等于截止期間在儲(chǔ)能電感 L減少的電流值 。 所以有△1LI=△12LI．即 LUt ion *= LUt ioff *。 整理得 0U = qqUUttiiof fon ?? 1** () 占空比 :設(shè)晶體管 T 的開關(guān)轉(zhuǎn)換周期 T， 導(dǎo)通其的時(shí)間為 ont ,截止期的時(shí)間為 oft ,占空比為 q(q= Tton )。 主回路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算 開關(guān) 晶體管 T 的選擇 由 DCDC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 (圖 33)可見 ， 開關(guān)管 T 上所承受的最大電壓 為 Ui ， 因?yàn)樯鲜降妮敵龊洼斎腚妷褐g的關(guān)系 。 開關(guān) 晶體管 T 上所承受的電壓實(shí)際為 * = 。 所以取其工作電為 80%的額定電壓值 ， 則有 = () 即 UCEQ = Ui *()= iU = 0U *qq?1 () CEQU =*36? 60V () 電極電流的計(jì)算 同理從并聯(lián)型原理圖可見 。 如果 ， 不考慮電路中的其它耗散功率時(shí) iI =ioo UUI *= oIqq?1 () 當(dāng)選擇管子在實(shí)際工作時(shí) ， 也考慮一定的裕量 ， 應(yīng)該把工作電流取為 80%額定電流值 。 此外 ， 在選擇二極管時(shí) ， 都應(yīng)該有一定的裕量 ， 一般留 20%的裕量 ， 所以二極管的反向耐壓為 DU = oU*801 ? = 0U =*36? 45V （ ） 正向?qū)娏? DＩ = ? ?１－ｑ２ ｑＩ＝２ＵＵＩ ０ｉ００ ? 1A （ ） 濾波電容 C 的選擇 并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后 ， 輸出電壓穩(wěn)定在所設(shè)計(jì)的恒定電壓值 0U 上 ，此 處支流電流 為 0U 。所以，濾波電容 C 的耐壓值應(yīng)由下式?jīng)Q定 03UUc ? ? 3*36=110V （ ） 能電感 L的選擇 在分析并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理時(shí)已經(jīng)講過，在 開關(guān)管 T1 導(dǎo)通的 t 期間，儲(chǔ)能點(diǎn)感 L的電源的增量應(yīng)于開關(guān) 官 V截止的時(shí)間 t漸漸儲(chǔ)能電感 L上的電流的減少量相等，所以有 ? I（ +） =? ＬＩ （ ） 。 給出類儲(chǔ)能電感 L上的電流的增量， 又給出了儲(chǔ)能點(diǎn)感 L上的電流的減少量，現(xiàn)在就可以計(jì)算出儲(chǔ)能電感 L上的電流在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)的變化的峰值為： 姚海東：基于單片機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 12 L= ? ?ｉ００ｉ＋ＵＵｆＩ７ １０Ｕ? =10 ? ?ｆＩ７１－０?? ? 150uH （ ） PWM 控制器 設(shè)計(jì) PWM（ Pulse Width Modulation） 控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。 本設(shè)計(jì)采用以 TL494 芯片為核心的 PWM 控制器 。 其 內(nèi)置一個(gè)線性鋸齒波振蕩器， 振蕩頻率可通過一個(gè)外部電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。 首先， 2 腳和 1 16 腳分別為兩個(gè) 電壓 比較器輸入端，由于 本次設(shè)計(jì)的 電源只對(duì)一路電壓輸出，所以只需要一組比較器，所以把 1 16 腳分別接 refV 、地進(jìn)行屏蔽；然后 1 腳接反饋 FB ， 2 腳接標(biāo)準(zhǔn)電壓 refV ，通過比較 2 腳的電位，來控制占空比。為保護(hù) TL494 的輸出三極管，經(jīng) R26 和 R25 分壓，在 4 腳加接近 。其公式如下 ： )( kHzRCf ? （ ） R－ TR 端的電阻（ ?K ） C— TC 端的電容（ F? ） 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 單片機(jī) 模塊設(shè)計(jì) 本 設(shè)計(jì) 采用 ATMEL 公司的 AT89S52 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。 P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I N T 012P 3 .3 /I N T 113P 3 .4 /T 014P 3 .5 /T 115P 3 .6 /W R16p 3 .7 /R D17X T A L 118X T A L 219R S T9V C C40P 0 .039P 0 .138P 0 .237P 0 .336P 0 .435P 0 .534P 0 .633P 0 .732E A /V P P31P S E N29P 1 .78P 1 .67P 1 .56P 1 .45P 1 .34P 1 .23P 1 .12P 1 .01A T 8 9 S 5 2A L E