智能数控开关电源设计

智能数控开关电源设计
摘要：开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（MOSFET，IGBT）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。

本次设计的主要目的是实现一个单片机控制开关电源，开关电源在日常生活中应用非常广泛，如今是数字化时代，用单片机实现电子产品十分方便，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，方案论证，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3v到12v的可调电压，并显示实时电压和预置值。

关键字：开关电源,PID算法,闭环控制,数控
The Design of Intelligent NC Switching Mode Power Supply
Abstract：Switching mode power supply is a new power supply which makes use of modern power electronics technology to control the rate of power switch (MOSFET, the IGBT)turn-on and turn-off time. It is a power electronic device which is widely used in the field of electronics, computer, communications, electrical, aerospace, military and home appliances and so on.It has the advantages of high power conversion efficiency, small size, light weight, high control accuracy and fast.
The main aim of the design is to realize Switching Mode Power Supply controled by a Microprocessor Control Unit.Switching Mode Power Supply are widely applied to daily life.In digital times, it is very convenient to produce electronic products which uses Microprocessor Control Unit,so in this design,you will see Microprocessor Control Unit.In this design documents, this paper describ in detail the Switching Mode Power Supply , the cite of the scheme,the design of general structure. Set expected output voltage values at first through the keyboard , the sampling of output voltage values by d/a converter, the Microprocessor Control Unit controled by software output corresponding pulse width, switch pulse width in Switching mode power supply, output the voltage values which expected. Stabilize the output 3v to 12v adjustable voltage, which stabilize the output voltage values controled by PID and display real-time voltage and the preset value.
Key word:SMPS,PID algorithm,closed-loop control,CNC
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
1 绪论 (1)
1.1 开关电源的研究背景 (1)
1.2 开关电源的分类 (1)
1.3开关电源的发展趋势 (2)
2 系统方案设计 (3)
2.1 开关电源工作原理 (3)
2.2 系统方案 (3)
2.3 总体结构设计 (3)
2.4 控制技术 (5)
2.5 开关变换器结构选择 (6)
2.6 功率开关管的选择 (8)
3 硬件电路设计 (10)
3.1电源电路设计 (10)
3.1.1整流滤波电路 (10)
3.1.2开关变换电路 (10)
3.2 控制电路设计 (11)
3.2.1反馈电路设计 (11)
3.2.2 PC机端的串口传输设计 (12)
3.2.3显示电路设计 (15)
3.2.4单片机与键盘接口电路设计 (16)
4 软件设计 (18)
4.1 总体编程思想 (18)
4.2 键盘防抖动子程序 (19)
4.3 显示子程序 (19)
4.4 反馈子程序 (20)
4.5 PID控制算法 (21)
5 系统调试 (22)
5.1 整流滤波电路的调试 (22)
5.2 AD转换的调试 (22)
5.3脉冲输出电路的调试 (22)
5.4功率开关管的调试 (22)
结论 (23)
参考文献 (24)
致谢 (25)
附录A源程序 (26)
附录B系统原理图 (30)
1 绪论
1.1开关电源的研究背景
21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。

开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。

从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。

功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。

1.2 开关电源的分类
开关电源种类繁多，按不同的标准，大致有以下几种分类：
1、按激励功率开关晶体管的方式来分
自激型，开关管兼作振荡器中的振荡管；
他激型，功率开关管的导通和截止由外加激励信号控制。

2、按调制方式来分
脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），它在保持振荡频率不变的情况下，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，通过取样电路、耦合电路等的构成反馈闭合电路，来稳定输出电压；
频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM),它在保持占空比不变或关断时间不变的情况下，通过改变振荡器的振荡频率来稳定并调节输出电压的幅度；
混合调制，通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并调节输出电压复读的目的，相对于脉冲和频率同时改变。

3、按功率开关电路的结构形式来分
非隔离型，主电路中无高频变压器；
隔离型，主电路中有高频变压器，具有软开关特性的谐振型。

4、按储能电感与负载的连接方式来分
串联型，储能电感串联在输入和输出电压之间；
并联型，储能电感并联在输入和输出电压之间。

5、按控制方式分
电压控制型，反馈回路中提取输出端的电压作为反馈信号；
电流控制型，不单提取了输出端的电压作为反馈信号，还另外构造一个以电流为控制信号的反馈回路。

6、按连接晶体管的方式来分
单端式，仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，它具有价格低、电路结构简单等特点，但输出功率不能提高；
推挽式，使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式，它的特点是开
关变压器必须具有中心抽头；
半桥式，使用两个开关晶体管，将其连接成板桥的放大形式，适用于输入电压较高的场合；
全桥式，使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的放大形式，其特定是输出功率较大。

1.3开关电源的发展趋势
21世纪开关电源的技术追求和发展可以概括为以下四个方面：
1、小型化、薄型化、轻量化、高频化。

开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定，因此开关电源的小型化，实质上就是尽可能地减小其中储能元件的体积。

在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及电压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此，高频化是开关电源的主要发展方向。

2、高可靠性。

开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，这样不但解决电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。

3、低噪声。

开关电源的缺点之一是噪声大。

单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。

采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

4、采用计算机辅助设计和控制。

采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简洁结构和最佳工况。

在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时监测、记录并自动报警等。

开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。

高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频点此元件。

发展功率MOSFET、IGBT 等新型高速器件，开发高频用的低损磁材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。

总之，在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元件器件，两者相互促进，并推动着开关电源以每年超过两位数的增长率向小型化、薄型、高频、低噪音以及高可靠性方向发展。

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，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2.1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4.9v ，误差为0.1v ，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2.1 开关电源原理框图
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。

2.2 系统方案
单片机自带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，通过D/A 转换，控制输出一个PWM 脉冲，直接控制电源的工作。

本设计选择单片机使用STC5608AD ，自带A/D 转换，D/A 芯片采用TLC5616，采用LCD 显示采样值，选择RS232作为串行传输的接口。

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。

2.3 总体结构设计
系统工作原理图如图2.2所示：市电经过整流滤波后，一路电压经过7805稳压得到整流 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
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，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，通过的D/A转换器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V0>Vs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
V0<Vs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。

图2.2 单片机控制开关电源系统框图
2.4 控制技术
从自动控制理论的角度来说，目前应用相当的广泛的传统的脉宽调制（PWM）型开关电源只对输出电压进行采样，作为反馈信号来实现闭环控制。

这种控制方法属于电压控制型，这是一种单环控制系统。

第一块功能完全的电压控制型脉宽调制电路是1976年问世的SG3524，紧接着各公司又相继推出了多种电路，例如TL494、SG3525等等。

它们的功能更多、截止频率更高、功耗更小。

但是它们的基本工作原理都是相同的。

电源的输出电压Vo与参考电压Vr比较放大，得到误差信号Ve，Ve又和三角波信号比较后，脉冲比较器输出一系列脉冲，这些脉冲的宽度即随着误差信号Ve的变化而变化，这就是电压控制型PWM控制原理。

本次设计采用的是单片机进行PWM控制，用软件实现反馈电压和设定电压的比较，根据误差值，通过PID算法处理，修改控制脉冲占空比，控制电源输出一系列脉冲。

但是电源中的电流总是会流过电感的，对于电压信号将有90度的相位延迟，对于整个稳压系统来说，实际上需要不断调节是输入电流，以摄影输入电压和负载变化从而保持输出电压稳定的要求。

这种采样输出电压的方法实现控制，响应的速度较慢、稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，造成功率开关管的损坏。

针对电压型控制的不足，可以采用电流型控制技术，它是在电压控制型的基础上，增加电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立的变量，电流型开关电源变换器是一个双环控制系统，内环为电流控制环，外环为电压控制环。

当开关管导通时，流经电阻Rs的电流Ids与流过输出滤波电感If的电流成正比。

从输出采样的电压信号加到误差放大器的反向输入端，正相输入端为基准电压，其误差经放大后的电压Ve加到PWM比较器的反向端，当加在比较器正相端的正比于Ids的电流取样信号Vs（三角波，其频率决定开关频率）升到Ve时，比较器输出端输出一个正脉冲加至锁存器的复位端，锁存器的反向端输出便使得开关管截止。

当Vo发生变化导致Io变化时，或变化导致Vs变化时，便使比较器输出脉冲相对于时钟脉冲在时间上提前或滞后，从而改变开关管的占空比实现PWM 控制，达到稳压的目的。

因此，变换器的内环是一个恒流源。

与电压型控制相比，电流型控制有以下优势：
（1）对输入电压变化的响应快；电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。

当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。

对于电压型控制，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变化后，才会进行处理，所以响应速度慢。

（2）过流保护；由于采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测输出和开关管电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件，这样设计电路时就不需要考虑留什么余
量，能节省一些成本。

（3）回路稳定性好，负载响应快；
电流型控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。

因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的，这样电感的相位延迟就不存在了。

2.5 开关变换器结构选择
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)/(Toff Ton Ton Vo +=⨯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）Buck-Boost 变换器；（4）CUK 变换器。

BUCK 变换电路是开关型电源，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。

当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。

当开关元件被控制截止时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时，续流二极管正向导通，构成闭合回路。

电容起到平滑输出的作用。

电路中开关管和负载电阻是串联的，所以也称它为串联开关电源。

如图2.3所示 DIN 1SCLK 2CS 3DOUT 4GND 5REF 6VOUT 7VCC 8U3TLC5615DIN SCLK CS +5R1110K
R610K +5
VOUT Q18050Q2
TIP41
OUT11IN1+2IN1-3GND 4IN2+5
IN2-6
OUT27
VCC
8U2
LM358R7
1K R410K R510K VOUT C30.1uF C7
100uF
R210K
R3
10K 12CN2
2PIN ADC0
图2.3 Buck 变换器
当开关管导通时，电感上的电流处于最小值，此后电感电流开始上升，但电流仍低于负载电流Io ，于是电容仍向负载供电，因此输出电压下降。

当电感电流上升到等于Io 时，电容停止向负载供电，此时输出电压达到最小值。

随着电感电流的继续上升，电容
开始充电，Vo 从最低值开始上升。

当开关管截止时，电感上电流处于最大，此后电感上电流开始下降，但电流仍比Io 大，所以电容仍处于充电状态，输出电压Vo 继续上升。

当电感电流下降到Io 时，电容停止充电，此时电容上电压达到最大值。

随着电感电流的下降，电容开始放电，Vo 由最大值逐渐开始下降。

假设开关管的导通时间为Ton ,截止时间为Toff ,并且开关管和电感为理想元件，则DVi Ui Toff Ton Ton Vo =+=*)/(,其中T Ton Toff Ton Ton D /)/(=+=为开关的脉冲占空比。

若开关管一直处于导通状态，截止时间为零，则Vi Vo =；若开关管一直截止，导通时间为零，则0=V o ，随着Ton 与Toff 的比例不同，输出电压Vo 为0—Vo 之间的各种值。

下面具体分析该电路的工作过程：开关管导通时，发射极上的电压为
Vces Vi Ve -=.........................................................(2-1)式
V ces 为开关管饱和压降，Vi 为输入电压，那么电感电压VL 为dt dIL L
Vo Ve =-,IL 为电感电流，则在经历Ton 以后，开关管截止，此时电感电流最大，电流值为 L Ton Vo Ve IL /)(max -=..............................................（2-2）式
在这一瞬间，电感储能为： L Ton Vo Ve LI WL 2/)(2
1222-==，输入电压通过电感对电容充电，充电的电量为
L ton Vo Ve Ton IL Q 2/)(max**2
112-==.................................（2-3）式 在此期间，输入给电路提供的能量为
L ton Vo Ve Ve Q Ve W 2/)(2*-*=*=...................................（2-4）式
（2-4）式经过变换得：22)])()[(ton Ve Vo Ve Vo Ve W **---=/L 2Q Vo LIL *+=max 2
1即是电感中储存的磁能和电容储存的电能。

可见，输入电能完全转换为电路的能量，效率很高，正是开关电源的优势所在。

当开关管截止后，电感电流不能突变，电感产生感应电势，使得续流二极管导通，电感通过电路向负载释放能量，设二极管正向导通压降为Vd ，根据电路知识，可知电感上的电压与输出电压、二极管压降之间有这样的关系：dt
dIL L Vo Vd =+-)( 电感电流将从最大值一直减少为0，电感所储存的磁能将转化为电源的电能，假设磁能完全转换为电能，那么可以通过下面的式子算出电感电流由最大值减为0的时间，
Vo L IL t *=max ton Vo
Vo Ve *-=.............................................(2-5)式 开关管截止期间电容的充电量为
22
22)(max 21max 212ton LVo
Vo Ve Vo L IL t IL Q *-=*=**=.......................（2-6）式
续流二极管的作用是使电感电流在开关管截止时能连续变化，这样电感存储的能量才能够转化为电容中储存的电能。

由此可见，如果要控制信号的每一个脉冲都能完全的工作，应有t ton T +>，也就是让电感在导通期间存储的能量，能在t 时间内，完全释放给电路。

根据能量守恒定理，电感中的磁能转化为电能，对电容再次充电，那么输入电能应等于导通时电容所充电能加上电感的磁能，即
=W VoIoT ..........................................................（2-7）式
代入（2-4）式得T
Q Vo Ve ton LT Vo Ve Vo Ve Io *=*-*=22......................(2-8)式 可见，当导通时间越大或者脉冲周期越小，输出电流越大，当需要提高电源输出功率时，可以提高开关管的工作频率。

本设计任务要求电源在3到12伏内可调，而输入电压为14.4V ，所以采用降压型开关变换电路，即Buck 变换器，通过调制输出占空比为0到90%的一系列脉冲，使电源在要求范围内可调。

2.6 功率开关管的选择
开关管是整个电源主要的工作器件，正确的选用，是电源成功制作的前提。

首先，开关管的截止时间不宜过长，假如截止时间过长，当开关管的上一个控制脉冲已经结束，而下一个控制脉冲已经到来时，会造成开关管还没有完全关断，马上就进入下一个导通周期，这样开关管几乎是一直在导通，开关完全失去控制，功耗和输出电压会迅速增加，造成电源的损坏。

其次，开关的导通时间也不宜过长。

当开关频率较高时，开关管导通和截止的频率频繁，导通时间长，意味着开关管有更多的时间是在放大状态下工作（开关导通后是利用晶体管的放大作用而工作的），这样开关管的功耗就会迅速增加，电源的效率将大为下降。

根据设计前辈们的经验，功率开关管的导通时间不宜超过1.5us ，截止时间不宜超过1us 。

在开关管导通时，负载电流以及滤波电容的充电电流均通过开关管提供，因此，开关管的集电极电流必须大于输出的负载电流，集电极电流的计算如下：
电感电流的平均值等于负载电流Io ，则有Io IL IL =+2
min
max ，流过开关管的电流平均
值为Io D T
ton
Io T ton IL IL I *=⨯=⨯+=
2min max ，忽略开关管导通压降，有
min max IL ton L Vo
Vi IL +-=
，整理方程消去min IL 得到 toff L
Vo
Io IL 2max +=.................................................（2-9）式
流过开关管的最大电流应等于电感电流的最大值，则
toff L
Vo
Io Icm 2+=，额定输出电流为A 1，算出集电极电流小于A 2
在开关管截止时，电源的全部输入电压都加在开关管的集电极和发射极两端。

所以其耐压值就必须大于集电极的输入电压，同样考虑到电网波动和开关瞬间滤波电感所产生的浪涌电压，取其耐压值为输入电压的2倍。

根据数据手册，选择的晶体管型号为TIP41，耐压值40V ，集电极电流6A 。

3 硬件电路设计
3.1电源电路设计
开关电源设计包括输入整流滤波电路、开关变换电路、输出整流滤波电路、采样电路，保护电路。

3.1.1整流滤波电路
市电经过变压器降压后，通过7812变为12v，对该电压整流后一部分电压直接作为开关变换电路的输入电压，另外将其通过7805得到5v的电压，给开关电源控制电路部分的单片机提供工作电源。

交流220v降压后经过整流桥整流输出直流电压作为开关变换电路的输入电压，7805稳压输出5v给单片机提供电源。

如图3.1所示
图3.1整流滤波电路
3.1.2开关变换电路
功率开关管采用达林顿管，由于它采用两个三极管进行级联，其放大倍数是两个管子放大倍数的乘积，因而具有很高的放大倍数，通过级联，可获取大的电流输出，对于提高电源的输出功率，有一定的作用。

该开关管选择为NPN型，当控制脉冲的低电平时，开关导通，电感存储能量，开关把电路的输入电压变成高频脉冲，当控制脉冲为高电平时，开关截止，电感把所存储的能量释放给负载。

为了确保电感电流能在开关转换过程中保持连续，选用肖特基二极管作为续流二极管选用，这种二极管具有较快的导通截止恢复时间，在开关导通变为截止时，能够很快的由截止转换到导通，所以能够确保。