基于单片机控制的开关电源的设计

哈尔滨剑桥学院毕业设计论文题目：基于单片机控制的开关电源的设计学生：孙中凯指导教师：李德胜高级工程师专业：电气工程及其自动化班级： 12级电气2班2016年5月毕业设计（论文）审阅评语毕业设计（论文）答辩评语及成绩基于单片机控制的开关电源的设计摘要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、高可靠的电源起着关键作用。

本文设计主要目的是实现一个单片机控制开关电源，所以在这次设计中使用了单片机实现。

在这次设计文档中，详细阐述了开关电源与线性电源的比较，总体结构设计，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12v到0v的可调节电压，并显示实时预置值与电压。

关键词：财开关电源；半导体；PID算法；闭环控制；数控目录摘要 (I)1 绪论 (1)1.1 课题环境背景 (2)1.1.1绿色节能型开关电源 (2)1.1.2 智能化数字电源 (1)1.1.3 可编程开关电源 (1)1.2 电源技术的发展与方向 (2)1.2.1 线性电源和开关电源 (2)1.2.2 电源技术的发展方向 (2)1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状 (3)1.3 本文研究主要内容 (3)2 系统方案设计 (4)2.1 开关电源工作原理 (4)2.2 开关电源与线性电源的比较 (4)2.2.1 线性电源的缺点 (4)2.2.2 开关电源的优点 (4)2.3 系统方案论证 (5)2.3.1 方案1 (5)2.3.2 方案2 (5)2.3.3 方案3 (6)2.3.4 方案分析 (6)2.3.5 总体结构设计 (6)2.4 系统难点分析 (7)2.4.1 如何提高电源工作频率 (7)2.4.2 储能电感的绕制 (8)2.4.3 标度转换技术 (9)2.5 开关变换器结构分析与选择 (9)2.5.1 降压变换电路分析 (9)2.5.3 Buck-Boost型变换器 (11)2.6 开关电路器件参数选择 (12)2.6.1 功率开关管的选择 (12)2.6.2 滤波电容的选择 (12)2.6.3储能电感的选择 (13)2.6.4续流二极管的选择 (13)3 硬件电路设计 (14)3.1 电源电路设计 (14)3.1.1 整流滤波电路 (14)3.1.2 开关变换电路 (14)3.1.3 保护电路 (15)3.2 控制电路设计 (16)3.2.1 反馈电路设计 (17)3.2.2 显示电路设计 (17)3.2.3 单片机与键盘接口电路设计 (18)4 软件设计 (20)4.1 总体编程思想 (20)4.1.1 键盘防抖动子程序 (22)4.1.2 显示子程序 (23)4.1.3 采样子程序 (24)4.1.4 中断处理程序设计 (25)4.1.5 PID控制算法 (26)5 系统调试 (26)5.1 硬件模块调试 (26)5.1.1 整流滤波电路的调试 (26)5.1.2 AD转换的调试 (26)5.1.3 脉冲输出电路的调试 (26)5.1.4 功率开关管的调试 (26)5.2 电源性能指标的测试 (26)5.2.2 输出电压的测试 (28)5.2.3 最大输出电流的测试 (28)5.2.4 过流保护的测试 (29)5.2.5 电压调整率的测试 (29)5.2.6 纹波电压的测试 (29)结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)附录 (33)基于单片机控制的开关电源的设计1 绪论1.1 课题环境背景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、高可靠的电源起着关键作用。

开关电源与线性电源相比，二者的成本都随输出功率的增加而增长，但二者增长速率不同。

线性电源成本在某一输出功率点上，相反高于开关电源。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源推动了高新技术产品的请便化、小型化。

另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[1]。

1.1.1 节能绿色型的开关电源最早的开关电源技术还不够成熟，待机功耗大并且效率低。

怎样降低开关电源的功耗和提高开关电源效率是世界能源待解决的问题。

但是单片机的出现，可以设计出一个绿色又可以节能的开关电源。

1.1.2 智能化数字电源它是以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。

数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。

1.1.3 可编程开关电源可调式开关电源都不仅调节精度低，而且使用不够方便，因为它是手动调节电阻值来改变稳压器输出电压的。

数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控电阻器（Digitally Controlled Potentiometer），可简称为DCP。

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LCD显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制作[2]。

1.2 电源技术发展和方向1.2.1 开关电源与线性电源线性稳定电源，它的特点是:功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间电压降稳定输出，可靠性高，易做成多路，稳定性高，纹波小、输出连续可调的成品。

线性电源主要问题是：效率低、精度低、散热问题大和难以在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷是在重量以及体积上。

使用输入调整器可使输出精度更加准确，但是更增加功率的消耗，并且导致效率更低。

线性电源功率达到50%的效率就不容易了，这些浪费掉的功率还带来了散热的问题。

开关电源是开关型直流稳压电源，电路形式有全桥式、推挽式、单端正激式、单端反激式和半桥式。

开关电源与线性电源的区别在于开关电源变压器不工作在工频上，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。

功率开关管工作在饱与区截止区，工作在开关状态，得名与开关电源。

开关电源它的优点是稳定性高，重量轻，体积小。

1.2.2 电源技术发展的方向尖电源技术对提高一个国家劳动生产率和提高一个国家单位能耗的产出水平，有着非常大的作用。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[3]。

开关电源发展的方向是抗干扰、低耗、模块化、高频、高可靠和低噪声。

由于开关电源薄、轻、小的技术是高频化，并且在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大研究，来提高在较大磁通密度与高频率下能获得高的磁性能，但是电容器的小型化也是一项关键技术研究。

SMT技术的应用使开关电源取得了巨大的进展，在电路板两边布置元器件，可以确保开关电源的小、轻、薄。

模块化可以说是开关电源发展总体的趋势，利用模块化电源组成分布式电源系统，可以组成N+1冗余电源系统，并且可以实现并联方式容量扩展。

对于开关电源运行噪声大的缺点，用部分谐振转换电路技术，在理论上可实现高频化又可以降低噪声，但部分谐振转换技术实际操作上会有很多技术问题，所以仍需在这一领域开展研究，使多项技术得以实用化1.2.3 开关电源市场的研究状况与前景线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流后,得到脉动直流电后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电。

要达到高精度直流电压,就必须经过稳压电路进行稳压。

用于电镀、充电设备、电解、科研、大学院校、工矿、实验室等。

开关电源(Switching power supply)是利用现代电子电力技术,控制开关管关断时间和开通的比率,支持稳定输出电压的一种电源,开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关电源的发展,产品不断向着轻、小、薄、低噪声、高可靠的方向发展[4]。

开关电源是电子电力电源主要产品，由于其功率密度/转换效率高、输入电压范围广、输入电压范围广、热消耗较少、重量轻和小型化等优点，得益于电子产品的轻、小的需求，发展迅速，取代了线性电源普及于各种电子电力的产品领域。

开关电源应用领域统计，占据全行业产出份额第一的是工业类开关电源，2010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%[5]。

1.3 本文研究主要内容（1）设计、制作开关电源；（2）利用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘的预置输入电压数值，可以显示预置电压与输出电压；（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；2 系统方案设计2.1 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，核心是一个直流变换器。

利用直流变换器就可以使一种直流电压变成数值不同、极性的各种直流电压。

如图2.1所示，电路的工作原理为：假设基准电压为10v，因为电网波动导致输入电压减小，所以输出电压也会减少，那么，所采样电压将减小，假设为9.9v，误差为0.1v，经比较放大后，脉冲调制电路根据误差，提高占空比使输出电压增大。

图2—1开关电源原理框图按电路中功率管的工作方式分类，电源可分为线性电源与开关电源。