基于单片机的开关电源设计

基于单片机的开关电源设计内容摘要：

... 36 附 录 ........................................................................................................................................................................... 37 绪 论 1 绪 论 开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（ MOSFET；三极管）的导通和关断的时间比来稳定输出电压的一种新型稳压电源。 它是在电子、计算机、通信、电气、航空航天、军事以及家电等领域 应用非常广泛的一种电力电子装置。 具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点。 本文中研究的单片机控制开关电源，可以通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。 并采用 PID 算法控制输出电压稳定，构成可输出 3v 到 12v 的可调电压，并显示实时电压和预置值，通过键盘可随时修改 PID 参数以优化控制效果，并该系统可以给芯片提供工作电压，加以扩展可构成输出正负 3 到 12 伏的双极性电源。 单片机控制的开关电源具有设 计弹性好的优点， 可以按照设计者的思想灵活的工作。 目前电子设备的日益小型化需要供电电源的小型化，这样制作小型化电源是未来电源制作的一个趋势， 传统开关电源线路一般很复杂体积也较大，如果使用的单片机作为控制核心必将可以大大简化电源的结构，制作更加小的电源将成为可能，并且使用单片机可以扩展许多功能，如显示，实时控制调整电压，可维护性强，由于目前国内有专门的 PWM 输出的单片机价格昂贵，普通的单片机I/O 口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远达不到现代电源要求的工作频率，所以目前单片机控制的电源使用并不广泛，但是单片机在 智能化以及可实现的用户友好界面，扩展性强等等方面的优势使其成为未来电源重要的发展方向。 因此，我们研究单片机控制的开关电源，非常有现实意义。 随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积和重量不断下降，这就要求有效率更高、体积更小、重量更轻的开关电源，使之能满足电子设备的日益小型化的需要。 这是未来开关电源设计所应考虑的第一个问题。 在开关电源中，由于功率晶体管工作在开关状态，当开关速度提高后，会受到电路中分布电感、电容成分或二极管中储存的电荷的影响而产 生较大的浪涌和噪声，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐波干扰，这些尖峰电压或电流可能会损坏电路的器件，同时这些干扰会污染市电电网，影响邻近的电子仪器与设备的在正常工作。 虽然也可以采取一些抑制干扰的措施，在一定程度上降低这些干扰的影响，但目前阶段的精密电子仪器中，仍难以使用开关电源。 因此，克服开关电源产生的各种噪声干扰，是我们要努力解决的第三个问题。 物理与电子工程系毕业 论文 2 第一章 概述 课题来源及意义 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交 叉技术。 随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。 目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。 他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。 当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。 因 此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。 电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。 电源，如今 已经是 非常重要的基础科技和产业，从日常生活到 高 尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中 不断的 发展起来的。 电源的重要性不可否认，但是传统电源存在不足的地方，例如，传统电源效率不高，线性电源由于功率管是工作在线性放大状态，功率管的电流和输出电流是成比例的，因此当 输出电流越大时，功耗就越大。 通常，线性电源效率只有45%到 50%左右，因此提高电源效率是未来电源设计，应着重解决的问题，而开关电源能够很好的解决这个问题，开关电源的功率开关管是工作在开关状态的，也就是，只是在开关管导通时，管子才会产生损耗，因此开关电源的效率比线性电源要高得多，通常可以达到 80%以上，本设计选择开关电源作为研究对象，利用其输出电压和输入电压之间占空比的关系，假定输入基本稳定，利用单片机控制占空比，就可以控制输出电压，通过 A/D 转换，采样输出电压，使用数码管显示，通过键盘预置电压，实现可调开关 电源的制作。 课题基本要求 （ 1）设计、制作开关电源； （ 2）使用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘预置输入电压，可显示预置电压和输出电压； 第一章 概述 3 （ 3）掌握开关电源的设计方法； （ 4）掌握单片机软件编程方法； （ 5）掌握 PID 控制原理。 课题相关背景 我国的三极管直流变换器及开关电源的研制工作开始于 60 年代初期，到了60年代中期进入了实用阶段，紧跟着 70年代初开始研制无工频变压器开关电源。 1974 年研制成功了工作频率为 10 千赫兹、输出电压为 5v 的无工频开关电源。 近 30 年来，许多研究所、工厂及高校 已研制出多种型号的开关电源，并广泛的应用于电子计算机、通信、家电等许多方面，取得了很好的效果。 工作频率为100 千赫兹 200 千赫兹的高频开关电源于 80年代初期开始研制， 90年代初试制成功，目前已经是非常成熟的电子产品。 按调制方式划分可以分为： （ 1）脉宽调制型：振荡频率保持不变，通过改变脉冲的宽度来改变和调节输出电压的大小。 通过采样电路、耦合电路构成闭合回路，来稳定输出电压。 缩写为 PWM(Pulse Width Modulation)。 （ 2）频率调制型：占空比保持不变或关断时间不变，改变振荡器 的频率来稳定并调节输出电压幅度。 缩写为 PFM（ Pulse Frequency modulation）。 （ 3）混合调制型：通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并输出电压幅度。 通常采用的是脉宽调制型和混合调制型两种调制方式。 在脉宽调制中因为频率不变，所以无论是对电路中的磁性元件及晶体管的测试和设计都很方便，而且对射频干扰的抑制也变得比较容易。 混合调制则因其线路简单，也得到了广泛的应用。 相对而言，频率调制较少采用。 本文中采用的是脉宽调制型。 物理与电子工程系毕业 论文 4 第二章 开关电源方案设计 开关电源工作原理 开关 电源是指调整管工作在开关方式，即导通和截止状态的稳压电源，缩写为 SPS（ Switching Power Supply）。 开关电源的核心部分是一个直流变换器。 利用直流变换器可以把一种直流电压变成极性、数值不同的多种直流电压。 图 所示电路的工作过程为：假设基准电压为 5v，由于电网波动导致输入电压减小，那么输出电压也将会减少，此时，所采样的电压将减小，假设为，误差为 ，经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大，同理，当由于电网波动导致输出电压增大时，脉冲调制电路降低占 空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。 图 按电源电路中功率管的工作方式划分，电源可以分为开关电源与线性电源两大类。 线性电源是发展较早的一种电源，其功率管工作在线性放大区。 开关电源是在线性电源的基础之上发展起来的，并在很大程度上克服了线性电源的缺陷，但其自身也有一定的不足。 开关电源与线性电源的比较 线性电源的缺点 （ 1）功耗大，效率低，效率一般只有 35%45%；（ 2）体积大、重量大，不能小型化；（ 3）必须有较大容量的滤波电容。 造成这些缺点的原因是：（ 1）线性电源中功率晶体管 V 在整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。 功率晶体管本身的功耗与输出电流成 整流 滤波 电路 开关管 滤波电路 采样电路 比较放大 脉冲调宽 输出 输入 基准电压 + + 第二章 开关电源方案设计 5 正比。 这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大。 为了保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。 （ 2）线性电源使用了 50赫兹的工频变压器，他的效率只有 80%90%。 这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率，就必须增大滤波电容的容量。 开关电源的优点 （ 1）功耗小，效率 高。 图 中，开关管 V 在脉冲信号的控制下，交替工作在导通 截止和截止 导通的开关状态，转换速度快，频率一般在 50 到 200 千赫兹。 这就使得功率开关管的损耗较小，电源的效率可以大幅度提高，其效率可以达到80%以上。 （ 2）体积小，重量轻。 由于没有采用大型的工频变压器，并且在开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去较大的散热片，因此开关电源的体积和重量都可以得到减小。 （ 3）稳压范围宽。 开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。 在工频电网电压有 较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。 （ 4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。 例如，若开关电源的工作频率为 25 千赫兹，是线性稳压电源频率 500 倍（ 25000/50 赫兹），这使滤波电容的容量可以相应的缩小 500 倍，这使滤波电路中元件的体积和重量得以减少，同时也节省了成本。 方案论证 单片机控制的开关电源，从对输出电压控制的角度分析，可以有几种可行的方案。 方案 1 方案 1：单片机通过数模转换输出一个电压，用作电源的基准电压，电 源可以通过键盘预置输出电压，单片机不加入反馈控制，电源仍要使用专门的 PWM控制芯片，工作过程为：当通过键盘预置电压时，单片机通过 D/A芯片输出一个电压作为控制芯片的基准电压，这个基准电压可以使得控制芯片按照预置电压值，来输出控制脉冲，以输出期望输出电压。 物理与电子工程系毕业 论文 6 方案 2 方案 2：在方案 1 的基础上，单片机扩展模数转换器，不断的检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值的差值，调整后，通过 D/A芯片输出一个基准电压，控制专门的 PWM 控制芯片，间接的控制电源工作。 方案 3 方案 3：单片机扩展 A/D 转换器，不断检测输出端的电压，并根据电源输出电压与键盘预置电压的差值，输出一个 PWM 脉冲，直接控制电源的工作。 方案分析 方案 1分析：单片机没有加入反馈控制，只是输出一个基准电压，这样单片机的作用非常的小，而且仍要使用专门的控制芯片，价格比较贵，电源成本增加，削弱了单片机的作用，不宜采用。 方案 2分析：单片机加入了反馈控制，作用得以利用，但是需要扩展 A/D和D/A 芯片，而且还是需要专门的 PWM控制芯片，成本比方案 1 更高，更不宜采用。 方案 3分析：这个方案，单片机不仅加入了反馈控制系统，而且作为控制 核心，单片机得以充分利用，而且省去了 D/A 芯片，成本大大降低，是真正的单片机控制。 综上所述，本设计选择第三种控制方案，单片机使用 89C51， A/D 芯片采用ADC0832，采用 4位数码管显示采样值，键盘预置电压，设计任务要求输出可调，所以设定值需要从键盘输入，实现输入不同的电压，输出便可以输出不同的电压。 总体结构设计 系统工作原 理图 如图 所示：市电经过整流滤波后， 一路电压经过 7805稳压得到一个 +5v 电压，该电压作为单片机的工作电源， 另外一路 电压直接作为开关变换电路的输入电压。 单片机根据键盘 输入值和取样值之间的差值，修改脉冲占空比，并输出控制功率开关管，以 便得到期望的输出电压值 ，并根据 模 /数转换器所采样的电压和键盘输入比较，根据差值调用 PID 算法再次修改脉宽使输出电压稳定。 开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放能量给负载。 单片机定时采样输出端的电压，通过 ADC0832 送进单片机进行处理，单片机根据处理结果输出更新的控制信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出控制信号控制功率开关管工作状态。 在本系统中，用户可以根据需要从键盘输入期望的电压，单片机会 根据键盘输入与采样第二章 开关电源方案设计 7 电压的差值，更新脉宽，使电源输出相应电压，更新脉宽后，单片机会马上调用PID 控制算法，对输出电压进行稳定控制。 闭环时，电源自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置的电压变化时，先将键盘输入值和从输出端的取样值相比较，假设当前键盘输入为 10v，从输出端取样的值为 6v，差值为 4v，则系统会根。