高效高功率因数开关电源单片机控制程序设计.docx
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高效高功率因数开关电源单片机控制程序设计
高效、高功率因数开关电源单片机控制程序设计
（2011-05-0814:
08:
53）
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标签：
开关电源
数字控制技术
单片机
数控技术
进行
杂谈
分类：
电子自动化电气
摘 要
传统开关电源是模数结合的硬件为主的控制方式，其控制精度、响应速度等都由电路拓扑结构和器件本身的参数决定，很难进一步提升其性能。
随着微处理器处理技术的日趋成熟，开关电源的软硬件结合的控制技术得到了广泛的关注，它呈现出纯硬件控制方式无法比拟的优点。
软硬件结合的控制方式便于计算机处理控制，使控制更快更灵活，有可能进一步提高功率因数、增大输出功率、提高效率以及提高系统运行的安全性，进一步提高抗干扰能力。
因此，更灵活可靠的数字控制是开关电源的发展方向。
本论文以Microchip公司的8位单片机PIC18F4520为控制核心对开关电源进行了可编程控制的尝试。
首先介绍了开关电源数控技术的研究现状及趋势；然后详细介绍了PIC18F4520的开发工具（MPLABIDE）及设计方法，并对整个系统的硬件设计有简要的介绍并且对软件部分实现过程进行了详细阐述，并给出了优化设计后的结果分析和调试评估；文章最后对本文的研究进行了总结和展望。
关键字：
开关电源；数字控制技术；PIC18F4520单片机；MPLABIDE
第1章绪论
1.1选题意义
开关电源（SwitchingPowerSupply）作为电力电子领域的一个重要分支，随着电力电子技术的高速发展而被广泛应用于以电子计算机为主的各种终端设备和通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
采用传统控制方式的开关电源，其控制精度、响应速度等都由电路拓扑和器件本身的参数决定，如果想进一步提高开关电源的性能，就只能选用参数更优的器件，或者对原有电路进行大范围的改动，这对电源产品的研发、生产都会带来很多麻烦，也制约了开关电源性能的提升。
同时，由于模拟信号在传递过程中可能会出现信号失真、畸变以及受到外界电磁干扰，造成开关电源工作状态不稳定。
所以，采用传统控制方式的开关电源在性能上的提升相当有限。
随着数字处理技术的日趋成熟，开关电源的可编程数控技术[1]（ProgrammableDigitalControl）得到了快速的发展和广泛的关注。
与硬件控制方式相比，数字控制技术具有其无法比拟的优势：
Ø 克服了模拟信号容易出现的失真、畸变等弊病，使控制精度更高。
Ø 运用数控技术使得控制更加快速灵活，便于计算机的管理和控制；便于修 改，并且支持如PID算法的很多复杂的程序设计而不需要更改硬件电路； 便于自诊断，容错等技术的植入等。
Ø 数字控制减少杂散信号的干扰，提高了开关电源整体的抗电磁干扰能力， 使得整个系统更加稳定可靠。
近几年来，数字控制技术在高效、高功率因素的开关电源的设计中发挥了越来越重要的作用。
其中，利用高性能的单片机对开关电源进行数字控制是广大技术人员正在不断研究的方向之一。
本毕业设计正是利用单片机改进原来的模拟控制，对开关电源进行数字控制的程序设计，从而熟悉和掌握数控的设计方法及技术。
这也是整个研究课题的意义之所在。
1.2开关电源数控技术研究现状及趋势
开关电源真正的发展是从60年代末开始的。
40多年来，开关电源经历了两个重要的发展阶段。
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件（BJT、SCR、GTO）发展为MOS型器件（功率MOSFET、IGBT等），是电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，提高了开关电源的效率，同时电路也更为简单。
第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和数字控制技术的研究是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。
因此，开关电源中的数字控制技术一直受到广泛的关注。
1.2.1研究现状[2]
开关电源的数字控制技术在开关电源控制方面显示出明显的优势，而当今主要有三种数字的控制方式。
（1）带有PWM输出的单片机控制方式
用单片机控制的开关电源，信号采样由一个高精度A/D来完成。
基准信号由外接键盘输人或者通过程序来设定，两路信号比较得到误差信号，再根据误差信号生成不同脉宽的PWM波形以驱动开关管。
这种方式的控制电路结构比较简单，而且可以通过软件实现很多较复杂的算法。
运用这种单片机控制高频PWM变换器就整体性价比来看，已经不低于传统模拟集成PWM芯片了，因为单片机电路除可以完成电压、电流调节及PWM生成功能以外，还可完成数据的采集、显示、参数调整、系统监控、通信等工作。
虽然单片机与传统模拟IC相比具有很多优势，但由于工作频率的限制，单片机的动态响应始终不能令人满意，其应用范围非常有限。
（2）带有PWM输出的DSP控制方式
DSP构架是专为数字信号处理而设计的，其计算功能强大毋庸置疑，所以对于动态响应要求比较高的开关电源，可以选用计算功能强大的DSP芯片来实现控制电路。
与单片机相比，DSP芯片在总线结构、数据处理能力以及指令执行时间上，都有明显的优势。
不过DSP芯片的价格却不能与传统模拟PWM芯片和单片机相比，这也是制约DSP芯片应用于开关电源控制领域的一个重要因素。
（3）FPGA控制方式
FPGA具有容量大、逻辑功能强的特点，而且兼有高速、高可靠性。
其内部主要分为2个模块，第1个模块是由软核CPU组成的通信管理模块，第2个模块由几个DSP块组成，主要完成调节器的PI或PID运算、高分辨率PWM信号的产生以及数字滤波等。
由FPGA内部结构可以看出，它能够在产生数字PWM波形的同时实现外部通信、显示等功能，由于内部有多个DSP块，所以它可以采用非常复杂的算法来进行控制和时延补偿。
用FPGA控制可以得到非常好的控制精度和动态响应，只是在使用的时候需要外加高精度A/D。
与DSP相同，虽然它的性能优越，但是价格昂贵，有时甚至一块FPGA芯片的价格就比一台用传统集成IC的PWM芯片设计的开关电源高出许多。
因此，FPGA运用于开关电源的数字控制也有一定的局限性。
1.2.2发展趋势
由上述的三种开关电源的数字控制方式我们可以清楚地看到每种控制方式都有其优点和不足的地方。
如何既能又快又好又精准地进行对开关电源的控制又有较高的性价比适合于大规模批量的生产绝对是今后数控方式的发展方向。
如今，数字控制技术向三个方向发展。
（1）向输出控制精度更高的方向发展
假设用l0位A/D采样，那么在开关管导通—关断的一个周期中，可以被分成1024份，如果占空比为50%,导通过程仅能被分成512份，考虑到脉冲宽度与电源输出并非线性关系，至少要再减小1倍，也就是256份，这就是说，对输出的控制只能达到1/256的精度。
而且,上述分析是假设在单端工作的情况下，如果是推挽工作，那么精度只有1/128。
所以，高精度A/D是非常必要的。
（2）向更高的工作频率的方向发展
数字控制PWM输出本质上是用可预置计数器，当计数器计数到预置数时，使一个触发器翻转，开关管关断。
假设开关电源工作频率为50kHz，那么一个周期是20µs，一个周期至少分成1000份，那么每份的时问就是20ns，这每一份就相当于PWM控制的步长，所以可得该计数器要工作在50MHz时钟频率下。
如果是推挽模式的开关电源，时钟频率还要翻倍，也就是100MHz。
这个频率对于同时要求具有PWM输出的单片机来说是苛刻的。
同时，如果工作频率不够高，数字控制器的指令周期太长，也会对PWM波形带来误差。
（3）向控制系统的动态响应更好的方向发展
数字电路中，由于控制环结构中的零阶保持、A/D转换、计算以及PWM信号生成等过程会产生一定的时延，降低了控制系统的响应特性，所以除了对元器件的参数要求较高以外，还必须对时延作出补偿。
综上所述，每种控制方式都有其各自的特点：
单片机的价格低廉，但控制精度和响应速度不佳；DSP的计算功能强大，控制效果也不错，所以现在有很多电源产品都用了DSP芯片来做控制电路；FPGA控制效果好，能够产生高分辨率的数字PWM波，还能实现更多的附加功能，但是价格昂贵。
但是，由于数字控制的众多优点以及数字技术的高速发展，数字控制的开关电源有着极为广泛的应用前景，物美价廉性能又好的数字控制芯片必将在不远的将来出现在更为高效的开关电源中。
1.3 论文结构
第一章，详细论述了开关电源数字控制技术的研究现状及发展趋势，进而提出了本论文的研究任务。
第二章，对本设计需要使用的器件和开发工具进行了详细说明，并对整个程序设计进行了总体的阐述。
第三章，简要地对本设计的硬件电路的设计进行了描述，如PWM驱动电路、电压采样电路、电流采样电路、键盘及LCD显示电路等。
第四章，给出了软件部分较为详细的设计方案，包括互补推挽的PWM生成模块，A/D转换模块，键盘及LCD显示模块，PID控制算法模块等。
第五章，对本系统在设计和实现过程中可能出现的问题进行了总结，并详细介绍了调试过程。
第六章，对全文进行系统的总结和展望。
第2章单片机数字控制使用器件及开发环境
本设计采用的是Microchip公司的高性能8位单片机—PIC18F4520,并且使用C语言进行程序的编写，同时在MPLABIDE集成开发环境中程序的编译和调试对整个系统进行描述和设计。
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程序代码
//******RD5口与P1A口复用了，所以RD5口改为了RD6口，而AD采集有三路，故将LCD的AN2改为AN3了
//从而AN0为按键检测，AN1电压检测，AN2电流检测P1A（RD5），P1B（RC2）为PWM半桥输出
//LCD（RD0，RD1,RD2,RD3,RD4,RD6,RA3），三路输出控制（RD5,RC2,RC3）
#include
#include
#include
//************************PID结构*************************************
structPID{
unsignedintSetpoint; //SetVoltvalue
unsignedintLastOut; //上次输出值
floatPgain;
floatDgain;
floatIgain;
unsignedintPositivePIDLimit; //MaxPWM
unsignedintNegativePIDLimit; //MinPWM
intLast_error; //上次差值
intLast_derror; //上次偏差的偏差
intLast_dderror; //积分求和
}Volt_PID;
#defineLCD_DATA LATD //PORTD低四位传输数据
#defineRS PORTDbits.RD4
#defineRW PORTDbits.RD6 //RD5口为P1A占空比输出，改为RD6输出
#defineLCD_E PORTAbits.RA3 //RA3使能信号,数字信号
voidTMR0_ISR（void）; //定时中断函数
intAD_Get（charTongdao）; //获得AD1AN0;5AN1;9AN2
voidKeyprocess（void）; //键盘处理
voidInitial_Lcd（void）; //初始化
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