基于单片机控制的开关电源的设计

基于单片机控制的开关电源的设计内容摘要：

C 电源 )产值达到 855 亿元， 2020 年达 931 亿元，增长 %。 2020 年达到 1027亿元，增长 %。 按开关电源应用领域细分，占据全行业产出份额第一的是工业类开关电源， 2020 年达到全行业产值的比重为 56%，居第二位的是消费类开关电源，占 32%，通信开关电源占 6%，个人电脑开关电源占 3%。 本文研究主要内容 （ 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； （ 3） 开关电源的设计方法； （ 4） 单片机软件编程方法； （ 5） PID 控制 原理； 广西工学院毕业设计专用纸 6 2 系统方案设计 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 ：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。 输 入整 流滤 波电 路开 关 管8 9 C 5 2滤 波 电 路A D C 0 8 0 4采 样 电 路输 出 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，而且广西工学院毕业设计专用纸 7 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。 系统方案论证 开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设计思路。 开关电源的一般结构框图如图 所示，本设计通过对不同的方案的对比得出了最佳方案的设计。 图 开关电源的一般框图 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。 广西工学院毕业设计专用纸 8 方案 1 主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图 所示），只能获得低于输入电压的输出电压，且输出电压与输入电压不隔离，容易引起触电事故。 +V inP WMVout 图 非隔离式 DCDC结构 方案 2 主回路采用隔离推挽式拓扑结构（如图 所示），输入与输出电气不相连，通过开关变压器的磁偶合方式传递能量，适合实验室使用。 本设计采用方案二。 +Vout+ 图 隔离式 DCDC 结构 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： 采用脉冲频率调制 FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特 点 是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。 输出电压的调节范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。 方案 2分析： 采用脉冲宽度调制 PWM（ Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比控制型效率高并具有良好的输出广西工学院毕业设计专用纸 9 电压和噪声。 基于上述考滤及题目的具体要求，本设计选用 PWM 调制方式。 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 89C52， A/D 芯片采用 ADC0809，采用 LCD 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 ：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 ADC0809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，则系统会根据这个差值，更新脉宽使得输出端电压上升为 10v；同样，当键盘输入为 6v，输出端取样值为 10v，差值为 4v，系统会根据算法，将占空比减小以使输出电压变小，这就是系统脉宽调制过程。 同时，电源可以自动稳压，假定在某一正常状态下，输出为 V0，反馈电压问 Vf（ Vf=V0），用户设定电压为 Vs，当 V0=Vs 时，偏差为 0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即 V0Vs 时 ,单片机采样的电压也增加，单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小，从而使电压下降，同样当电网波动使输出电 压下降时，即 V0Vs时，单片机修改脉宽使导通时间变长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压。 广西工学院毕业设计专用纸 10 图 单片机控制开关电源系统框图 如何提高电源工作频率 困难分析： 现代开关电源的工作频率已经可以达到 300 千赫兹，本次设计虽然采用了 24M 赫兹的晶振频率，可以通过单片机定时输出 40 千赫兹的频率，但是开关电源要求的是单片机的处理速度要足够快， 51 系列的单片机，即使使用 24M 的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，它的速 度仍是比较慢的，而且这里单片机还需要做采样电压，扫描键盘， PID 控制等等很多的工作，那么单片机就更加慢了，就算忽略这方面的影响，单片机可以通过定时器中断产生 40 千赫兹的频率，但是定时器中断产生的脉冲的有效电平，即占空比是不能够改变的，只能是 50%，要设计输出可调的开关电源，显然行不通。 解决办法： 现在的问题在于单片机输出的脉冲占空比无法改变，硬件更改，只能是更换处理速度高的单片机，但是成本又增加了，而且还不一定比使用专门的 PWM 控制芯片的控制性能可靠，所以在此选择在软件上解决，具体思路为：首先定义两个变量 ，一个周期 T，一个占空比 D，给它们赋值， T 大于 D，先让单片机 I/O 输出高电平，让 T， D同时计数，当 D 计算到预计值， I/O 口为低电平，然后低电平一直延续到 T 值时， I/O 口输出高电平。 改变 D， T 的值可以改变脉冲频率，改变 D 值可以控制占空比。 算法需要使用定时器，根据电源的工作频率设定定时时间。 整流滤波电路 开关变换电路 整流滤波电路 单片机控制电路 辅助电源 LCD 显示 ADC0809 取样电路 键盘预置 广西工学院毕业设计专用纸 11 算法为： D=100， T=1000； //定义变量，并赋值，占空比为 100/1000=10% VOID tim0 ()//定时中断 {=1。 // 输出高电平 D++。 //同时计数 T++。 If（ D==100） {=0； }//D 到预计值，输出低电平 If （ T==1000） {=1； //T 到预计值，输出高电平 D=0； T=0； //清零 } 只要单片机时钟频率足够高，可以输出任意的频率。 储能电感的绕制 使用储能电感目的在于，在功率开关管截止时，为负载存储能量，电气上的作用是把开关方波脉冲积分成直流电压。 本次设计储能电感的磁体要求为工作频率为 100 千赫兹，直流电阻小于 欧姆，饱和电流大于 2A。 需要自己绕制，所需最小电感值可以由公式计算 m )m a x(m in Io ut T onV ou tVinL  式中 Ton 为估计最大输入电压下，开关管导通时间，根据设计前辈们的经验，估计为开关周期的 30%是比较合适的。 代入数据求得 uHL  ，取 uHL 100 电感的设计方法为 AeAwAp 其中 Ae 为加入气隙的高磁导率材料铁心电感的截面积， Aw 为电感窗口截面积， NBmLAe Im ，KcjNIAw，其中 I为电感电流有效值， j 为 导线的电流密度， Kc 为绕组填充因数，（ 0 1Kc ）。 BmKcj ILAp Im， Bm 为铁心中的磁通密度。 计算出 Ap 值，对照铁心产品手册，选择大于 Ap 值的产品，即可查得对应的铁心截面积，由式 BmAeLN Im 确定绕组匝数。 标度转换技术 本次设计使用了 ADC0809，这种芯片只能采样 0到 5V的电压，所采集回来的电压对广西工学院毕业设计专用纸 12 应的是 0到 255的数字量，而用户从键盘输入的是电压值，为了进行比较，需要经过标度转换，转换为数字量，以得到同样的单位量纲。 控制系统检测的被控对象的参数有着不同的量纲和数值。 所有这些参数都需要通过变送器转换为电信号，再通过 A/D 转换器或者 V/F 变换器转换为计算机所能处理的数字量。 由于不同参数的变化范围和量 纲是不同的，因此同样的数字量表示的模拟量可能是不同的。 如同样是数字量 255，可能表示的是 5V的直流电压，也可以表示其他的量；即使是相同的量纲，如果变化范围不同，相同的数字量表示的模拟量也是不同的，数字 0所以控制系统在进行显示、打印、记录和报警等操作时，必须把这些数据转换成相应的不同量纲的物理量。 这就是标度变换技术。 本次设计的标度转换为： 键盘输入为： 0到 12V；采样 0 到 5V 电压对应数字量为 0到 255 变换程序： r=input*255/12。 //input 为键盘输入值 ,r 为转换后的数字量 就是说使预置的 0到 12v的转换为 0 到 255 的数字量，这样单片机系统才能够进行正确的比较处理。 开关变换器结构分析与选择 开关电源的核心是高频开关变换电路和脉冲控制电路。 高频变换电路把直流输入变换成高频脉冲输出。 输出电压平均值 )/( ToffTonTonVo   Vi ,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（ Ton ） 与截止时间（ Toff ），达到控制输出电压目的。 隔离电路采用高频变换器件和高频隔离变压器。 开关电源的四中组态为：（ 1） Buck 变换器；（ 2） Boost 变换器；（ 3） BuckBoost 变换器；（ 4） CUK 变换器。 降压变换电路分析 这种开关型电源是直流供电，经过开关电路得到单方向方波，再经过滤波后又得到与输入电压不同的稳定的直流。 它们的输出电压总是比输入电压低。 当开关。