基于单片机控制的开关电源设计毕业论文.docx
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基于单片机控制的开关电源设计毕业论文
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要:
开关电源是当代电子科技技术的产物，用于达到输出电压的稳定，开关电源主要是通过改变脉宽调制（PWM）进行输出电压的改变。
它是一种电力电子装置，广泛应用于各种电子设备、工业、通信、航天航空以及军事等领域。
具有输出电压稳定、噪音小、小型化和轻型化等特点。
为了设计并实现一个单片机控制的开关电源，可以通过软件编程让单片机输出一个PWM波形给双运算放大电路，双运算放大电路对PWM波形进行变换调压，反馈到DC-DC降压电路进行降压和稳压后输出所需要的电压。
输出电压可以通过按键调节，调节范围在0至25V，电压调节幅度为0.5V，由液晶显示屏实时显示。
单片机控制开关电源，实现电源的智能化，具有输出电压范围大、电压可调和输出电压实时显等优点。
关键字：
开关电源,单片机,PWM波形,调节，智能化
第一章概述
开关电源是改变开关管的通断的时间比较来控制输出电压的大小的电力电子器件。
随着世界科技的快速发展，开关电源成为了人们生命中不可缺少的必需品，其应用于工业、农业、通信、航空和计算机等领域，具有高效率转换、重量小、小体积和高精度等特点。
传统的开关电源系统存在调整之繁琐，电路很繁琐，可靠性低等问题，本文通过对单片机进行编程实现开关电源的有效输出，具体是将常用电源220V交流电通入变压器转换成24V的交流电，经过整流电路得到直流信号，通过电容滤波得到相对干净的直流电分别接入两个LM2596S-ADJ芯片，一个是构成DC-DC降压型电路，一个是构成5V稳压电路，前者是控制输出电压的，后者是给单片机和液晶显示屏供电的。
输出电压的大小由PWM控制，将PWM波形送到PWM调压电路，进行稳压和调压，并反馈到DC-DC降压电路后输出。
按键能控制输出电压的大小，输出电压能在0-25V范围里可连续调节，步加步减在0.5V，复位按键可以是输出电压恢复到5V，并由液晶显示屏显示。
单片机控制开关电源，具有灵活性好的优势，可根据设计人员的想法进行设计。
电子设备越来越小型化是未来的发展趋势，由于传统的开关电源电路的复杂性，如果以单片机为控制核心，则可以大大简化电源结构的复杂性，产生更小的电源变得可能，使用单片机可以扩展电压显示的实现，可以随时控制电压的大小，更容易维护。
因为国内可以专门输出PWM波的单片机价格很高，一般的单片机引脚口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远小于所需的标准，因此单片机控制开关电源运用不多，而由单片机控制具有更多的控制和更多的可扩展性等，而正是这些必将是未来开关电源发展的发展方向。
因此，探究单片机控制开关电源，具有极大地挑战。
本文将运用51单片机对开关电源进行控制，因为原先选考虑在51单片机和STM32单片机两者中选择，起初认为51单片机存在运算处理速度不够快，达不到设计要求，所以决定用STM32，但由于查询到用STM32单片机编程极其复杂，系统方案和硬件电路难度会有所增加。
吸取教训，本文最后还是决定选用51单片机，可以达到设计要求，实现研究意义。
开关电源的功率晶体管处于闭合状态时，当开关速度提高后，会因电路中的电感、电容成分以及二极管中储存的电荷的影响而产生较大的浪涌影响和噪音影响，也会因输入电压和电流通过电路中的元器件影响产生较强的尖端峰值扰动和谐率波信扰动，这些干扰可能会损坏电路器件，同时污染居民用电。
在开关状态下切换功率晶体管的电源，由于电路构成中的电感和电容以及存储在二极管中的电荷的影响，开关速度增加，从而产生更大的浪涌和噪声，将通过输入电压和电流在电路中的元器件会影响强峰值干扰和谐波干扰，干扰可能会损坏电路，同时会居民用电产生影响，影响设备的正常工作。
即使可以有一些行为进行制止，但由于水平有限，在这方面还是很难突破。
于是，在设计制作过程中要着重留意噪声产生问题，并对其有效解决。
1.1开关电源的新技术
1.1.1高频化
随着微处理器的规模越来越大，电源电压的范围已经不能满足用户的需求。
逐渐电源电压范围广，电源结构紧凑等成为了电源发展的趋势。
为了实现这一目标，开关电源频率的提高是关键。
根据理论和实践证明，电器产品的体积、重量和频率的增加都是成反比的[1]。
也就是说，随着开关电源频率的越来越大，从50赫兹升高到几千或几十千赫兹时，电子设备的体积和重量就会明显变小。
但随着频率的升高也会出现问题，如PCB板的结构会变得越来越复杂，电源的功率器件调整困难和发热过热问题等会变得麻烦，因此开关电源的频率不能无限大。
1.1.2软开关技术
功率转换器自1950年以来一直在开发和应用。
这是一个硬开关技术，所谓的硬开关意味着当电源开关打开和闭合时，开关管上的电流或电压不是零[2]。
在这个过程中会出现重合，所以开关损耗很大，电压和电流变化很快，波形就会失真，开关噪声也就会进一步加大。
而软开关技术在开关过程前后引入谐振，使得开关前后的电压降为零，在关断电流为零之前，可以去除开关过程中的电压大小和电流大小重叠现象，并能降低其变化率，以至于降低甚至消除开关过程中的损耗问题。
于是，开关调节中的电压与电流的转换率由谐振线处理，使其产生的噪音大大降低。
1.1.3数字化
电源数字化控制就是由模拟和数字共同控制，模块控制进入全数字控制阶段已经是一种全新的发展方向，必然成为发展趋势，在许多电力转换设备中就已经得到全面的应用。
可是在过去几年间，人们将数字控制在直流-直流转换器中使用较少[3]。
但从最近两年看来，高性能数字控制芯片的功率已经全面开发，制作成本也已经降低到一个人们能接受的水平，美国等发达国家已经有不少公司开发生产转换器控制芯片的开关和软件,全数字控制的优点是数字信号可以小于混合模块信号，芯片便宜[4]。
利用电流检测误差可以使电路准确，而利用电压检测更为准确，都能够实现快速又灵活的控制要求。
1.2开关电源发展背景及发展现状
开关电源已经发展了几十年。
20世纪50年代中期，由美国科学家发明了直流变换器，实现了高频变换控制。
20世纪50年代后期年出现了自激变压器;20世纪60年代中期年创造了工频变压器开关电源，极大地推动了开关电源技术的发展。
在20世纪70年代末，引入了脉宽调制控制器集成电路。
20世纪末开始引入单片机控制开关，为开关电源的流行和发展提供了机遇[5]。
由于开关电源的迅速发展，得到国家越来越大的重视，于是国家就提出开关电源的节能低碳政策，因此开关电源得到了越来越全面的覆盖。
开关电源的频率大小从最早的15kHz到目前的几KHZ甚至几兆赫兹，每一次提升都是巨大的跨越。
目前，开关电源向实现节约能源追求高效率的目标发展，小型化、便捷化、高频率化、高效率化、数字化等成为开关电源发展趋势。
人们生活水平质量的提高，对物质精神方面的需求也增大，开关电源的创新发展对人类生活有极其重要的作用。
现在开关电源有超小功率、较小功率、超大功率和输出线路多等开关电源，超小功率、较小功率开关电源输入电压有220V，输出电压有5V、8V、11V、13.8V、15V、18V、24V、28V、48V和60V。
功率大的开关电源输入电压有220V和380V，输出电压是在前者的基础上多了110V、150V和220V。
目前中国开关电源产业产值已达1172亿元[6]。
因为电子电力技术的迅猛发展，为了适合人类需求，必须对开关电源有创新才能继续发展。
随着其小型化，重量轻，范围宽的输入电压和使用广泛的开关电源，已经越来越流行[7]。
1.2.1PID控制开关电源
随着电子技术的发展，电子设备的需求越来越大，与之相适应，要求开关电源的性能也越大，就要提高设备的可靠性和适应性。
在开关电源发明中，到目前为止，PID控制的开关电源占有相当大的一部分。
这是因为由PID控制的开关电源具有结构简单可靠，容易实现，可控性能好和鲁棒性强等特点[8]，算法原理简单明了，参数的物理意义明白确切，理论分析体系相当完整，调节系统的方式简单直接，所以应用广泛，为广大相关工程师所熟悉并接受。
因为模拟PID控制的开关电源电路性能存在着诸多问题和不足，为解决这些问题，提出了更有优越性的数字PID控制，具有更好的灵活性，电路明了、调整较简单、可靠性很高等的特点。
所以数字PID控制技术发展越来越迅速。
1.2.2可编程开关电源
可调的开关电源就是通过对电阻进行调节，改变稳压芯片的输出电压值，有很多缺陷：
比如精度极低、不方便使用等。
而可编程开关电源就弥补了这些缺陷，将运用到数字化电位器，直至由计算机控制，有极大地发展意义，发展前景大，适合现代科技[10]。
1.3研究内容
现在科技越来越发展，都趋向于便捷化，于是开关电源的发展就越来越快速。
经查资料得到，普通的稳压电源虽然具有较大的输出电压范围，但存在稳定性不高，电压不稳定的状况，考虑到这些原因，于是就提出了利用单片机编程控制，缓解这些问题。
再次普通的开关电源的输出电压存在一定的噪音[13]，不能实时显示输出电压值，必须要用万用表进行测量才能知道电压值，存在一些缺陷，所以开关电源的性能及其指标有待提高，所以本文将对其进行改进，设计出一个由STC89C52单片机控制的步进为0.5V左右的，输出电压可调范围在0V到25V的开关电源，可以实现对可调电压范围进行扩大，并且可以由1602液晶显示屛显示电压，具有噪音小，电压稳定误差小，输出纹波小等的特点。
需要深入掌握开关电源的设计原理，需要深入研究和探讨开关电源的硬件组成模块并画出各个电路图，包括主电路拓扑的结构及控制主电路。
也需要研究掌握单片机软件编程方法，本设计由STC89C52单片机完成控制实现设计要求。
1.4章节安排
本论文按照如下的方式安排章节：
第一章是概述，包括课题的背景来源、电源新技术的分类以及发展和系统基本要求等。
第二章是介绍系统的方案设计，包括开关电源的原理，线性电源和开关电源的比较，设计中遇到的问题以及难点等。
第三章是写硬件电路设计模块，主要涉及了电源主电路设计和控制电路，将对各个电路模块进行介绍。
第四章是软件设计模块，包括各个子程序的原理介绍和原理框图等。
第五章进行描述设计实物最后调试的结果，包括输出电压是否达到范围等。
1.5系统基本的要求
（1）理解开关电源原理，设计、制作出符合要求的开关电源。
（2）按要求利用STC89C52单片机控制开关电源，调节按键改变电压的输出值，液晶显示屛能够显示输出电压值，得到想要的电压值，实现要求。
（3）理解开关电源的制作原理，对设计有一些深入的见解和一定的创新。
（4）掌握STC89C52型单片机的软件编程思想。
（5）掌握系统调试测量，要求列出输出电压表和输出纹波图。
第二章系统方案设计
2.1开关电源工作原理
开关电源是工作原理很简单，就是对开关管进行控制，然后使其不断地进行“开路”和“闭合”，改变对输入电压的脉冲宽度，对占空比进行反馈对比，达到所需时进行输出，一般输入输出都需要有整流滤波电路。
本设计将运用内部有类似开关管的开关电压调节器、双运算放大器等芯片实现输出电压范围调节输出。
在正常时稳压电压为5V,通过单片机的程序控制，进行占空比与周期比较后改变PWM信号，在PWM调压电路中进行调压，反馈到DC-DC降压电路后进行稳压输出。
如图2-1是此开关电源的原理设计主框图。
图2-1开关电源原理框图
2.2开关电源与线性电源的比较
2.2.1线性电源的简介及优缺点
线性电源是一种不需用到开关管的输出也为直流电压的电源。
其原理是交流电输入，经过变压器的变换压降，得到较低的电压，然后利用整流电路得到直流电，最后经过滤波能够获得直流电压，具有较小的电压纹波。
虽然线性电源有稳定的性能，较小的电压纹波等优点。
但由于线性电源的缺点诸多:
（1）体积大、重量大，不方便携带。
（2）发热严重、能源利用率低、功耗大，效率一般在40%左右。
（3）需要较大容量的滤波电容[12]。
缺点分析：
由于要用到又大又重的变压器，也要用到容量大的滤波电容，容量大，体积也就增大，并且运行是处于线性状态，调节管上有一定的电压降，输出电流会增大，消耗极大的能量，转换效率低，因为会产生很大的热量，所以线性电源要安装很大的散热装置。
由于线性电源加入50HZ的工频电压器，不但导致电源体积、重量增加，而且电源的转换效率不高，只有85%左右，所以需要大大增加滤波电容的容量达到要求。
2.2.2开关电源的优点
（1）体积很小、重量不大。
这是开关电源之所以发展迅速的最重要优点之一。
因为不需要那种体积很大和重量很大的变压器，一是减小了电源体积，二是不会产生大量的热量，就不需要用到有散热作用的散热片，更进一步减小了重量，使电源携带方便。
（2）工作效率几乎是线性电源的两倍，因为开关电源的一大特色是频率大，一般维持在上百KMZ左右，大大提高了转换频率，也就加快了开关管的导通和关断的转换状态速度。
所以功率开关管的损耗小，电源的效率就可以大大提到，最高能达到85%左右。
（3）能够输出更大范围电压、具有较大的抗干扰。
开关电源的输出电压由脉宽反馈控制调节。
当输入电压有一定程度的改变时，开关电源依就可以输出比较稳定的电压，不受其它因数影响，抗干扰大，从而开关电源的输出电压较稳定，范围更宽。
（4）滤波电容容量和体积不必很大，利用效率高。
经查阅可知开关电源的运行频率可以取值为30千赫兹，可以取线性电源的工作频率为50赫兹，求得是开关电源的1/600，也就是开关电源中的滤波电容容量能相应的缩小几乎600倍，这样既能减小滤波电路的元件大小，能空余出更大的占地面积，也大大节约了成本。
2.3系统方案选择及分析
本设计的开关电源由单片机进行控制，可以根据对单片机控制参与的多少进行分析，单片机参与控制越多，就更加智能化，但也会带来设计上的难度。
所以提出了以下三种设计方案，并对方案一一分析，根据自身能力、经济等方面选择实施。
2.3.1设计方案
设计方案一：
利用单片机控制输出的电压直接作为开关电源的输出电压，不需要加入反馈的电路，通过预值电压来改变输出脉冲，能够得到所需的输出电压值。
电路简单，明了。
设计方案二：
为开关电源选择合适的开关电压调节器，利用开关电压调节器的降压和稳压的特性，对输入进行反馈，直至得到想要的输出电压。
可以考虑加入运算放大器作为调压，利用单片机的优势，实现智能调压。
设计方案三：
因为开关电源的输出电压频率很高，所以可以通过对单片机进行拓展，持续地对输出电压进行测量，反馈的的差值与采样差值进行比较，然后得到误差，改变输出电压，最终对开关电源的直接控制。
2.3.2最优设计方案的分析
设计方案一分析：
本方案在原理上最简单易懂，只是对电源的输出调节用单片机进行了实现，单片机相当于只是一个基准电压。
而且仍然需要使用专门能产生PWM波信号的控制芯片，不但价格高，而且也很难实现，考虑到电源成本大，不符合设计的经济要求，所以不推荐采用。
设计方案二分析：
让单片机软件控制定时器产生定时信号，得到相对应的脉冲信号，作为运放电路的输入，进行PWM调压，然后反馈到DC-DC降压电路进行降压和稳压。
整个过程看上去简单，但会涉及到多个电路。
选择单片机时也需要考虑其运算速度和成本，既要达到设计要求，也需要考虑经济效益。
设计方案三分析：
方案三是对单片机的利用最深入的方案。
需要单片机有较快的运算处理能力，能够直接输出PWM波信号，而且PWM波要有一定的高频率。
市场上符合的单片机类型有DSP等，但通过调查，此种单片机价格贵，不符合经济方面的标准。
即使也有便宜的高运算处理单片机，但也有其不足，不能实现设计要求。
通过以上三种设计方案提出并分析可以得出结论：
为了考虑经济和设计价值意义，本人认为方案二最合理，决定单片机使用STC89C52，利用该单片机通过软件编程产生定时信号，得到相应的脉冲信号间接控制电源。
由1602液晶显示屏进行输出电压的显示，通过按键进行输出电压调节，可以输出不同的电压值，满足设计要求。
2.3.3总体结构设计的详细介绍
图2-2，开关电源系统结构原理呈以下框图所示：
家庭用电经变压器后的到24V交流电，经过二极管整流和电容滤波后，得到相对干净的直流信号，一路电压送到单独的LM2596S-ADJ开关电压调节器进行稳压，得到稳定5V直流电压，专门给单片机和1602液晶显示屏提供电源。
另外一路送到由降压型稳压电路、PWM调压电路和单片机可编程等主要电路，降压型稳压电路是输出电压的输出端，单片机通过程序编程，由定时器产生的不同定时信号得到不同的PWM脉冲，经PWM调压电路进行调压和稳压，再经降压型稳压电路得到不同的输出电压，经过调节按键电路，更新单片机的脉冲信号，实现大范围的输出电压大小的调节，并由LCD1602液晶显示屏实时显示输出电压值。
图2-2系统结构原理流程图
2.4系统难点分析
2.4.1单片机供电问题
单片机正常运行需要5V直流电压供电，为解决不需要外接电源给单片机供电，本设计将采用两个开关电压调节器，一个输出为稳定5V电压，直接为单片机和液晶显示屏提供电源，另一个为输出电压。
即可以优化电路，也解决了供电问题。
2.4.2编程问题
单片机软件编程问题是一个比较难解决的事情，如何让单片机产生PWM信号、如何让液晶显示屏可以精确显示电压等问题都是值得思考的。
可以通过程序编程能使单片机定时器产生不同定时信号这方向着手，改变输出电压。
2.5开关电源的控制方式
典型的开关电源控制系统。
电路中有反馈环节是开关电源控制系统的主要特点。
以下介绍控制系统的反馈概念：
当开关电源的输出电压和所需电压比较后得到一个误差，输出电压可以是偏大或者偏小，所以误差有正有负。
如果误差为正时，表明输出电压小于所需电压，于是控制器会增加控制量来提高电源的输出电压，得到所需电压值。
相反，当误差为负时，表明输出电压大于所需电压，这时候控制器会减少控制量来降低电源的输出电压，得到所需电压值。
反馈控制即提高了开关电源的输出精度，也展现了开关电源的优势。
2.5.1电压模式控制方式
电压模式控制系统存在反馈装置，但是反馈装置中只有一个对输出电压的反馈环节来控制输出电压。
这种控制方式电路比较简单，容易实现，可是也有一些不足：
电路反馈少，误差信号不稳定，误差信号足够大时，电路中的电流就越大，会导致不必要的过流，甚至短路烧毁。
所以就需要加入专门的过流保护装置来解决过流带来的影响，进一步加大了工作量。
2.5.2电流模式控制方式
由于电压模式控制系统存在不能直接过流和短路保护的缺陷，于是就想到了对控制系统增加增加电流反馈环节，由于有了电流反馈装置，可以对最大电流进行限制，防止最大电流过大对电路带来不必要的影响。
2.5.3电流模式控制的优点
通过上面的介绍，电流模式控制较电压模式控制更有优势。
（1）短路和过载保护：
因为增加了电流反馈的环节，对给定信号进行反馈，得到误差信号，使其有一定的限制，于是就起到了一定的过流保护作用。
（2）稳定性好、速度快：
反馈环节的增加，多路反馈同时进行，提高了运算速度，也使电路更加稳定。
2.6开关变换器结构分析
整流滤波电路、调压稳压电路等是开关电源的主要的电路。
常见的电路有DC-AC隔离式结构。
由于电源的功率大小和输入电压大小各不相同，所以电源的输出电压等级也有所差异。
一个开关电源，往往需要同时提供多套电源，这可以用于高频变压器的设计方法，实现多个次级绕组，每个绕组连接到相应的整流器和滤波电路，可以是几组不同的电压输出，而且这些是在不同的输出之间隔离的。
重要的是要注意，一次只能选择这些输出中的一个作为输出电压反馈，从而只有一路电压精度高，其他路电压调节精度较低，而且当一路负载变化，其他电路的电压也会相应变化。
2.6.1降压型变换电路分析
降压型变换电路就是常见的降压斩波电路，实现对输入电压的降压得到输出电压。
其原理简单描述是在整个工作周期里，电路的开关管闭合时，电流不经过二极管，整个电源供电给电感、负载和电阻，这时候输出电压为电源电压值。
当电路的开关管断开时，电源电压不能通过开关管，而续流二极管则会导通，期间有电流流过，电感会向电阻和负载提供电压，此时负载电压为零。
可得负载电压平均值总是小于电源电压值的，并且和开关管的闭合和断开时间成一定的关系。
由原理可得，该电源电路的输出电压值总是比输入电压值低很多，因此可将此电路称之为降压电路。
此开关型电源依靠220V交流电经过整流滤波后得到的直流电，经过开关器件得到相应的波形，再依靠滤波电路通过整流变换就可得到与输入电压值有大小差异的稳定直流信号，形成了DC-DC型电路。
为了对输出电压进行调制的，下面有三种常见的控制方式：
（1）对脉冲宽度进行调制，即在开关的时间周期一定的情况下来改变开关管闭合的时间调节电压，这种方法用的最广泛。
（2）调制频率，也就是改变周期的大小调节输出电压，前提是使开关管的闭合时间保持不会变。
（3）多调法：
就是即改变电源的周期，也改变开关管的闭合时间，从而改变输出电压值。
2.6.2升压型变换电路介绍
顾名思义，升压型变换电路是将输入电压进行提升，达到高于输入电压的目的。
其基本原理是当开关管闭合时，电源电路不能通过续流二极管，整个回路只有电感，电源电压给电感充能，当开关管断开时，电源电流通过续流二极管，流经电容和电阻，不但有电源的电压，还有电感的能量。
根据能量守恒定律，电感释放的能量等于电感储存的能量。
所以得到了高于输入电压的电压值，实现了升压目的。
2.6.3升降压型变换电路
升降压型变换电路也称为反极性斩波电路，因为该电路的极性正好与电源电压的极性反向。
而降压型变换电路和升压型变换电路则是和电源电压极性相同的。
升降压型变换电路的原理：
当开关管闭合时，电源电流通过开关管流经电感，于是电感进行充电。
当开关管断开时，电源电流不能流通，只有电感电流流经电容和电阻，在流经续流二极管。
负载电压方向和电源电压方向相反，通过对占空比的改变，既可以达到升压目的，也可以达到降压目的。
从以上原路介绍可以知道，不同类型开关电路各有其特点，但实现的目的都是对改变输入电压，得到所需电压。
为了能实现本毕业设计，能够使电源输出在0V到25V内连续可调，测得输入电压为31V左右，于是将运用降压式开关调节电路，也就是Buck变换器，通过脉冲宽度调制控制输出占空比，得到所需要的电压。
2.7开关电路器件参数选择
2.7.1开关电压调节器的选择
开关电压调节器是开关电源的主要工作器件，对其深入的了解，正确的选择，有利于设计的制作。
根据设计要求，本设计选用LM2596S-ADJ开关电压调节器，而且使用了两个此器件，一个是给单片机提供稳定的5V电压，另一个则是控制实际的输出电压值。
LM2596S-ADJ开关电压调节器是降压型的，有单片电源构成的电路，其有很多特点：
第一，输出电流能够达到很大，在3.5A左右不成问题。
第二，可以进行较好的负载调节，能够输出多种固定电压，如3.3V、5V、12V等稳定电压，电压范围能在1.2V至37V内调节。
利用该器件，还可以减小滤波电容的规格，内部采取150KHz的振荡频率，不仅效率高，而且能耗低，外接元件只需接5个，对电感的要求也很低。
另外就是内部有超过一定电流就会触发保护电路装置和超过一定热量就会触发保护电路装置的功能，当发生过流事故时，还能触发外面断电。
2.7.2运算放大器的选择
本设计要实现0至25V范围可调电压，所以就选择了具有单电源电源电压范围宽（3-30V），高差模放大倍数，低功耗电流等特点的LM358运算放大器。
LM358是一个具有双端输入、单端输出，能实现放大作用及电流和电压的转换，其内部包括两个独立的、高增益的双运算放大器。
适用于单电源供电的电路，运用到开关电源设计中更可靠。
2.7.3滤波电容的选择
滤波电容的主要目的是对输入电压直流信号进行过滤，得到更加干净光滑的直流电压信号，作为输入或输出。
其原理是储存能量或者释放能量，在输入电压高于标准电压时为充能，相反时为放能。
根据设计要求和查阅资料
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