【正文】 ................................... 30 整流濾波電路的調(diào)試 .......................................... 30 AD 轉(zhuǎn)換的調(diào)試 ............................................... 30 脈沖輸出電路的調(diào)試 .......................................... 30 功率開(kāi)關(guān)管的調(diào)試 ............................................ 30 電源性能指標(biāo)的測(cè)試 ............................................... 31 開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo) .......................................... 31 輸出電壓的測(cè)試 .............................................. 32 最大輸出電流的測(cè)試 .......................................... 33 過(guò)流保護(hù)的測(cè)試 .............................................. 33 電壓調(diào)整率的測(cè)試 ............................................ 34 紋波電壓的測(cè)試 .............................................. 34 6 結(jié)論 ..................................................... 35 致謝 ........................................................ 36 參考文獻(xiàn) .................................................... 37 附錄（子程序 和電路圖 ） ........................................ .38廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 1 緒論 開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率開(kāi)關(guān)管（ MOSFET；三極管）的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點(diǎn)。并采用 PID 算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構(gòu)成可輸出 0v 到15v 的可調(diào)電壓，并顯示實(shí)時(shí)電壓和預(yù)置值，通過(guò)鍵盤(pán)可隨時(shí)修改 PID 參數(shù)以優(yōu)化控制效果。目前電子設(shè)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(lái)電源制作的一個(gè)趨勢(shì)，傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源線路一般很復(fù)雜體積也較大，如果 使用的單片機(jī)作為控制核心必將可以大大簡(jiǎn)化電源的結(jié)構(gòu)，制作更加小的電源將成為可能，并且使用單片機(jī)可以擴(kuò)展許多功能，如顯示，實(shí)時(shí)控制調(diào)整電壓，可維護(hù)性強(qiáng)，由于目前國(guó)內(nèi)有專門(mén)的 PWM輸出的單片機(jī)價(jià)格昂貴，普通的單片機(jī) I/O 口模擬的脈寬頻率較低，速度較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代電源要求的工作頻率，所以目前單片機(jī)控制的電源使用并不廣泛，但是單片機(jī)在智能化以及可實(shí)現(xiàn)的用戶友好界面，擴(kuò)展性強(qiáng)等等方面的優(yōu)勢(shì)使其成為未來(lái)電源重要的發(fā)展方向。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成 度高、功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)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(kāi)關(guān)電源，使之能滿足電子設(shè)備的日益小型化的需要。 開(kāi)關(guān)電源的效率是與開(kāi)關(guān)管的變換速度成正比的，要進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的效率，就要提高電源的工作頻率。進(jìn)一步研制生產(chǎn)出適合于高頻工作的開(kāi)關(guān)管、高頻電容、開(kāi)關(guān)變壓器、儲(chǔ)能電感等元器件是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)所面臨的另一個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)電源。 廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 2 1 概述 課題 環(huán)境 背景 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力 電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，進(jìn)入 80 年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入 90 年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源。 推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。 開(kāi)關(guān)電源第一次出現(xiàn)在 1955 年， Royer 電路。 綠色節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源 早期的開(kāi)關(guān)電源因?yàn)榧夹g(shù)不夠成熟，待機(jī)功耗大且效率低。如何降低開(kāi)關(guān)電源的的功耗和提高開(kāi)關(guān)電源的效率是全球能源行業(yè)共同關(guān)注的問(wèn)題。尤其在 06 年之后美國(guó)推出了“能源之星”計(jì)劃后，對(duì)開(kāi)關(guān)電 源的設(shè)計(jì)以及制造業(yè)產(chǎn)生了推波助瀾的作用。最近剛問(wèn)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(guān)注。 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。 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。 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(dāng)輸出電流越大時(shí)，功耗就越大。 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。 上世 紀(jì) 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(shù)未來(lái)發(fā)展的方向，是解決電力電子技術(shù)發(fā)廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 4 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(shù)的發(fā)展方向 從 日常生活到最尖端的科學(xué)都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持，而電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)對(duì)提高一個(gè)國(guó)家勞動(dòng)生產(chǎn)率的水平，即提高一個(gè)國(guó)家單 位能耗的產(chǎn)出水平，具有舉足輕重的作用。另外開(kāi)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。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各在開(kāi)關(guān)電源制造商都致力同步開(kāi)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。開(kāi)關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM 開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn) ZVS、 ZCS 的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已成為開(kāi)關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開(kāi)關(guān)電源的工作效率。 模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成 N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。要達(dá)到高精度的直流電壓 ,必須經(jīng) 過(guò)穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。 開(kāi)關(guān)電源 (Switching power supply)是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù) ,控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)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 ,開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制 (PWM)控廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 5 制 IC和 MOSFET 構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向 ,高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化 ,并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 ,特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 ,推動(dòng)了開(kāi)關(guān)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(guó)電源學(xué)會(huì)收集整理的數(shù)據(jù)， 2021 年全國(guó)開(kāi)關(guān)電源 (主要包含消費(fèi)類開(kāi)關(guān)電源、工業(yè)類開(kāi)關(guān)電源、通信電源、 PC 電源 )產(chǎn)值達(dá)到 855 億元， 2021 年達(dá) 931 億元，增長(zhǎng) %。按開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)分，占據(jù)全行業(yè)產(chǎn)出份額第一的是工業(yè)類開(kāi)關(guān)電源， 2021 年達(dá)到全行業(yè)產(chǎn)值的比重為 56%，居第二位的是消費(fèi)類開(kāi)關(guān)電源，占 32%，通信開(kāi)關(guān)電源占 6%，個(gè)人電腦開(kāi)關(guān)電源占 3%。開(kāi)關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變換器。 圖 ：假設(shè)基準(zhǔn)電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會(huì)減少，此時(shí)，所采樣的電壓將減小，假設(shè)為 ，誤差為 ，經(jīng)過(guò)比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個(gè)誤差，提高占空比使輸出 電壓增大，同理，當(dāng)由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出電壓增大時(shí)，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來(lái)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(diǎn)的原因是：（ 1）線性電源中功率晶體管 V 在整個(gè)工作過(guò)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(huì)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(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn) （ 1）功耗小，效率高。這就使得功率開(kāi)關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達(dá)到 80%以上。由于沒(méi)有采用大型的工頻變壓器，并且在開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源的體積和重量都可以得到減小。開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號(hào)的占空比或者激勵(lì)信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過(guò)變頻或者調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)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(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。 圖 開(kāi)關(guān)電源的一般框圖 單片機(jī)控 制的開(kāi)關(guān)電源，從對(duì)輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。 +V inP WMVout 圖 非隔離式 DCDC結(jié)構(gòu) 方案 2 主回路采用隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 所示），輸入與輸出電氣不相連，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實(shí)驗(yàn)室使用。 +Vout+ 圖 隔離式 DCDC 結(jié)構(gòu) 方案 3 方案 3：?jiǎn)纹瑱C(jī)擴(kuò)展 A/D 轉(zhuǎn)換器，不斷檢測(cè)輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤(pán)預(yù)置電壓的差值，輸出一個(gè) 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(shè)計(jì)選用 PWM 調(diào)制方式。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇第三種控制方案，單片機(jī)使用 89C52， A/D 芯片采用 ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤(pán)預(yù)置電壓，設(shè)計(jì)任務(wù)要求輸出可調(diào)，所以設(shè)定值需要從鍵盤(pán)輸入，實(shí)現(xiàn)輸入不同的電 壓，輸出便可以輸出不同的電壓。單片機(jī)根據(jù)鍵盤(pán)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(kāi)關(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵盤(pán)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(jī)定時(shí)采樣輸出端的電壓，通過(guò) ADC0809送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)。 閉環(huán)時(shí)，電源自動(dòng)進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤(pán)預(yù)置的電壓變化時(shí)，先將鍵盤(pán)輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設(shè)當(dāng)前鍵盤(pán)輸入為 10v，從輸出端取樣的 值為 6v，差值為 4v，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這個(gè)差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為 10v；同樣，當(dāng)鍵盤(pán)輸入為 6v，輸出端取樣值為 10v，差值為 4v，系統(tǒng)會(huì)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(guò)程。 廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 10 圖 單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)框圖 如何提高電源工作頻率 困難分析： 現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以達(dá)到 300 千赫茲，本次設(shè)計(jì)雖然采用了 24M 赫茲的晶振頻率，可以通過(guò)單片機(jī)定時(shí)輸出 40 千赫茲的頻率，但是開(kāi)關(guān)電源要求的是單片機(jī)的處理速度要足夠快， 51 系列的單片機(jī)，即使使用 24M 的晶振，相對(duì)于開(kāi)關(guān)電源需要很快開(kāi)關(guān)工作頻率，它的速 度仍是比較慢的，而且這里單片機(jī)還需要做采樣電壓，掃描鍵盤(pán)， PID 控制等等很多的工作，那么單片機(jī)就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機(jī)可以通過(guò)定時(shí)器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲的頻率，但是定時(shí)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(shè)計(jì)輸出可調(diào)的開(kāi)關(guān)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。 整流濾波電路 開(kāi)關(guān)變換電路 整流濾波電路 單片機(jī)控制電路 輔助電源 LCD 顯示 ADC0809 取樣電路 鍵盤(pán)預(yù)置 廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 11 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(shí)中斷 {=1。//同時(shí)計(jì)數(shù) T++。 儲(chǔ)能電感的繞制 使用儲(chǔ)能電感目的在