基于单片机的开关稳压电源的设计

基于单片机的开关稳压电源的设计内容摘要：

连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。 此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。 共阴极数码管的 8 个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。 此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻 数码管字形编码 要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。 对照图 （ a），字型码各位定义如下： 数据线 D0 与 a字段对应， D1 字段与 b 字段对应„„，依此类推。 如使用数码管，数据为 0 表示对应字段亮，数据为 1 表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为 0表示对应字段暗，数据为 1 表示对应字段亮。 如要显示“ 0”，共阳极数码管的字型武汉理工 大学 毕业设计（论文） 9 9 编码应为： 11000000B（即 C0H）；共阴极数码管的字型编码应为： 00111111B（即 3FH）。 依此类推可求得数码管字形编码如表。 表 码管字形编码 显 示字 符 字形 共阴极 共阳极 dp g f e d c b a 字型码 dp g f e d c b a 字型码 0 0 1 1 O O O O O C0H 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 2 2 1 0 1 0 0 1 0 0 A4H 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH 3 3 1 0 1 1 0 0 0 0 B0H 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 4 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99H 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92H 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH 6 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82H 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH 7 7 1 1 1 1 1 0 0 0 F8H 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 8 8 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 9 9 1 0 0 1 0 0 0 0 90H 0 1 1 0 1 1 1 1 6FH A A 1 0 O O 1 0 0 0 88H 0 1 1 1 0 1 1 1 77H B B 1 0 0 0 0 0 1 1 83H 0 1 1 1 1 1 0 0 7CH C C 1 1 0 0 0 1 1 0 C6H 0 0 1 1 1 0 0 1 39H D D 1 0 1 0 0 0 0 1 A1H 0 1 0 1 1 1 1 0 5EH E E 1 0 0 0 0 1 1 0 86H 0 1 1 1 1 0 0 1 79H F F 1 0 0 0 1 1 1 0 8EH 0 1 1 1 0 0 0 1 71H H H 1 0 0 0 1 0 0 1 89H 0 1 1 1 0 1 1 0 76H L L 1 1 0 0 0 1 1 1 C7H 0 0 1 1 1 0 0 0 38H P P 1 0 O O 1 1 0 0 8CH 0 1 1 1 0 0 1 1 73H R R 1 1 0 0 1 1 1 0 CEH 0 0 1 1 0 0 0 1 31H U U 1 1 0 0 0 0 0 1 C1H 0 0 1 1 1 1 1 0 3EH Y Y 1 0 0 1 0 0 0 1 91H 0 1 1 0 1 1 1 0 6EH 1 0 1 1 1 1 1 1 BFH 0 1 0 0 0 0 0 0 40H . . 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 天 天 1 1 1 1 1 1 1 1 FFH 0 0 0 0 0 0 0 0 00H XXX： 基于单片 机的开 关稳 压电源的设计 10 第 四 章 硬件电路 开关变换电路 PWM DC/DC 的含义和组成 所谓 PWM DC/DC 转换器，它是由半导体器件和储能元件组成的。 通过对其中开关管的 PWM 通 /断控制，将一种数值的直流电压，转换成所需要的另一种数值，并控制输入与负载之间的功率流动，把具有这种功能的转换器叫做 PWM DC/DC 转换器。 对于小功率 PWM DC/DC 转换器，只用一个开关管、一个开关二极管、一个电感和一个电容，就可以 组成一台非隔离式 DC/DC 转换器。 而 PWM DC/DC 中“三端 PWM 开关”不同的组合，可以使 PWM DC/DC 转换器具有不同的降压、升压、和升降压功能。 而本设计中采用的是降压型 PWM DC/DC 转换器。 Buck PWM DC/DC 转换器 如下图 所示为降压型 PWM DC/DC 主电路它的工作原理是在高频 PWM 脉冲控制下，以一定的占空比重复导通和关断转换器中的 PWM 开关组合，对直流输入电压Ui 进行斩波，形成高频脉冲方波电压，再经过滤波器滤波后接入负载。 图 降压型 PWM DCDC 转换器 PWM DC/DC 转换器工作原理 Buck PWM DC/DC 转换器在连续导电模式的工作原理根据图所示可知：在一个周期内，开关管的开关过程将直流输入电压进行斩波，形成脉冲宽度为 Ton 的方波。 当开关管导通时，二极管关断，输入端直流电源 Ui将功率传送 到负载，并使电感储能；当开关管关断时，二极管导通连续，二极管导通续流，电感上储存的能量向负载释放。 在一个开关周期内，电感电流的平均值等于负载电流 Io。 在稳态工作时， PWM DC/DC 转换器一个周期内，开关管在导通和关断时间内的伏秒面积平衡，即在一个开关周期内电感承受的电压对时间的积分为 0。 00  tlTs du 式（ ） 式中 lu 电感承受电压； ST 开关周期； of fonss TTfT  1 式（ ） 式中 sf 开关频率； 武汉理工 大学 毕业设计（论文） 11 11 onT offT 已个开关周期内，开关管的导通时间和关断时间。 占空比又称导通比 sonu TTD / ， soffu TTD /1  式（ ） 以在连续导电模式工作下的 Buck PWM DC/DC 转换器为例，由图可得 t=0 onT 时， oil UUu  ； 式（ ） t= onT ST 时， ol Uu 。 式（ ） iU 和 oU 分别为 Buck PWM DC/DC 转换器的输入电压和输出电压。 进一步可得： o f foonoi TUTUU  )( 式（ ） 故得在连续导电模式下的 Buck PWM DC/DC 转换器输出 /输入电压的转换比为 iou /UUD  式（ ） 图 BUCK 变换器原理图 整流滤波、初步稳压 整流就是把交流电变成脉动的直流电的过程，整流的基本器件是二极管，利用二极管的单向导电性即 可把交流电转换成脉动的直流电，桥式整流电路如图 所示。 XXX： 基于单片 机的开 关稳 压电源的设计 12 图 整流滤波电路 滤波是为了降低输出电压的脉动成分，得到较为平滑的直流电源，常有的滤波电路有电容滤波、 RC（ LC）∏型的滤波形式。 电容是一个能储存电荷的元件。 有了电荷，两极板之间就有电压 UC=Q/C。 在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两 端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。 时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量，经过滤波后，输出电压的纹波减小，直流成分得到提高； 固定三端稳压器稳压电路如图 所示，在输入与公共端之间、输出端与公共端之间分别接了 、 的电容 ,可以防止自激振荡。 图 三端稳压电路武汉理工 大学 毕业设计（论文） 13 13 AT89C51 主控部分 单片机 AT89C51 是系统的控制核心，主要是通过控制数摸转换来实现对稳压电源的调节，并且控制显示电路，电路如图。 图 AT89C51 主控电路 主控电路中包括 AT89C51 工作的基本电路：复位电路和晶振电路，还有两个按键： +SW 键和 SW 键，这两个按键用于控制输出电压的增加与减小。 数模转换 DAC0832 DAC 模块是整个系统的纽带，连接着控制部分与稳压部分，电路如图 XXX： 基于单片 机的开 关稳 压电源的设计 14 图 数模转换电路 该数模转换电路采用的是 DAC0832 单极性输出方式，输出 Vo=B*Vref/256，其中B 的值为 D0D7 组成的 8 位二进制，取值范围 为 0255， Vref 是参考电压，该电压有电阻 R2 和可变电阻 R3分压所得，通过调节可变电阻可以改变参考电压 Vref。 稳压部分 稳压部分是系统的实现核心， DAC模块输出的模拟信号决定最终的输出电压，电路如图 所示。 图 稳压电路 稳压电路中电阻 R7 和 R8 组成取样电路，对输出电压进行取样，运 放 TL082 构成比较电路，对采样电压与数模转换输出的电压进行比较以控制调整电路，三极管Q1 和 Q2构成调整电路，调整电路通过改变三极管的管压降来调整输出电压。 显示电路 显示电路是对系统输出电压进行显示，使得整个系统更加合理话，由于只显示输出的电压，所以显示器件采用数码管，电路如图 ； 武汉理工 大学 毕业设计（论文） 15 15 图 数码管显示电路 利用 51 单片机输出 PWM 波 51 系列单片机无 PWM 输出功能，可以采用定时器配合软输出的方法输出其电路图如下图 所示，采用了高速光隔 6N137 输出，并将 PWM 的信号倒相。 图 利用 51 单片机输出 PWM波 用 T0 定时器控制 PWM 的占空比， T1 控制脉宽。 T0,T1 设置成 16位定时器。 XXX： 基于单片 机的开 关稳 压电源的设计 16 图 可变脉冲 PWM 输出 保护电路 引言 评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。 在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全 可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。 种保护电路 防浪涌软启动电路 开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流， 特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达 100A以上。 在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸。 上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。 图 采用晶闸管和限流电阻组成的软启动电路 图 V和限流电阻 R1组成的防浪涌电流电路。 在电源接通瞬间，输入电压经整流桥（ D1～ D4）和限流电阻 R1对电容器 C充电，限制浪涌电流。 当电容器 C充电到约 80％额定电压时，逆变器正常工作。 经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限流电阻 R1，开关电源处于正常 运行状态。 武汉理工 大学 毕业设计（论文） 17 17 图 K1和限流电阻构成的软启动电路 图 替代 RC的延迟电路 图 K1和限流电阻 R1构成的防浪涌电流电路。 电源接通瞬间，输入电压经整流（ D1～ D4）和限流电阻 R1对滤波电容器 C1充电，防止接通瞬间 的浪涌电流，同时辅助电源 Vcc经电阻 R2对并接于继电器 K1线包的电容器 C2充电，当 C2上的电压达到继电器 K1的动作电压时， K1动作，其触点 R1，电源进入正常运行状态。 限流的延迟时间取决于时间常数（ R2C2），通常选取为 ～。 为了提高延迟时间的准确性及防止继电器动作抖动振荡，延迟电路可采用图 RC延迟电路。 过压、欠压及过热保护 电路 进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏，同时因电。