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