基于89C51单片机的开关电源设计.doc
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毕业论文
课题：
基于单片机的开关电源设计
指导老师：
李燕林
姓名：
蒋斌
班级：
07级应用电子班
学号：
04207126
株洲师范高等专科学校物理与电子工程系毕业论文
基于单片机的开关电源设计
姓名：
蒋斌
指导老师：
李燕林
专业：
应用电子技术
班级：
07级应用电子班
学号：
04207126
时间：
2010-3-5至2010-6-8
摘要
【摘要】本次设计的主要目的是实现一个开关电源，开关电源在日常生活中应用非常广泛，比如电视机、电脑、冰箱以及其他常用的电子产品都需要开关电源，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与线性电源的比较，方案论证，总体结构设计，并附以相关电路图表示，最后生成相关了PCB电路图
【关键词】线性，半导体，开关，储能，转换，控制，滤波，分压，抖动
【Abstract】ThisdesignofZhuyaomudeistoachieveaswitchingpowersupply,switchingpowersupplyiswidelyusedindailylifein,suchastelevisions,computers,BingxiangyijiotherChangyongofelectronicproductsrequirepowersupply,RuJinHuaShiDaidigital,electronicproductsachievedwithDanPianjiveryconvenient,sothedesignusedinthisMCU.Inthisdesigndocument,detailedintheswitchingpowersupplywithlinearpowersupplycomparison,programdemonstration,theoverallstructuraldesign,alongwiththerelevantcircuitthatgeneratesthefinalcircuitdiagramrelatedtothePCB
【Keywords】Linear,semiconductors,switches,energystorage,conversion,control,filtering,partialpressure,jitter
I
目录
3
摘要 I
绪论 1
第一章概述 2
1.1课题来源及意义 2
1.2课题基本要求 2
第二章开关电源方案设计 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 5
2.3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 5
2.3.4方案分析 6
2.3.5总体结构设计 6
2.4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 8
2.5控制技术选择 9
2.5.1电压型控制技术 9
2.5.2电流型控制技术 9
2.5.3电流控制型技术的优势 10
2.6开关变换器结构分析与选择 10
2.6.1降压变换电路分析 10
2.6.2升压型变换电路 12
2.6.3Buck-Boost型变换器 12
2.7开关电路器件参数选择 12
2.7.1功率开关管的选择 12
2.7.2滤波电容的选择 13
2.7.3储能电感的选择 14
2.7.4续流二极管的选择 14
第三章硬件电路设计 15
3.1电源电路设计 15
3.1.1整流滤波电路 15
3.1.2开关变换电路 15
3.1.3分压电阻的计算 16
3.1.4保护电路 16
3.2控制电路设计 17
3.2.1反馈电路设计 18
3.2.2四位数码显示电路设计 19
3.2.3单片机与键盘接口电路设计 19
第四章软件设计 21
4.1总体编程思想 21
4.1.1键盘防抖动子程序 21
4.1.2数码显示子程序 21
4.1.3采样子程序 21
4.1.4中断处理程序设计 22
4.1.5PID控制算法 22
4.1.6数字滤波 23
第五章系统调试 25
5.1硬件模块调试 25
5.1.1整流滤波电路的调试 25
5.1.2AD转换的调试 25
5.1.3脉冲输出电路的调试 25
5.1.4功率开关管的调试 25
5.2电源性能指标的测试 25
5.2.1开关电源的技术指标 26
5.2.2输出电压的测试 27
5.2.3最大输出电流的测试 27
5.2.4过流保护的测试 28
5.2.5电压调整率的测试 28
5.2.6纹波电压的测试 28
第六章结论 30
参考文献 31
致谢 32
附录 33
附录
绪论
开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（MOSFET；三极管）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。
本文中研究的单片机控制开关电源，可以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，通过键盘可随时修改PID参数以优化控制效果，并该系统可以给芯片提供工作电压，加以扩展可构成输出正负3到12伏的双极性电源。
单片机控制的开关电源具有设计弹性好的优点，可以按照设计者的思想灵活的工作。
目前电子设备的日益小型化需要供电电源的小型化，这样制作小型化电源是未来电源制作的一个趋势，传统开关电源线路一般很复杂体积也较大，如果使用的单片机作为控制核心必将可以大大简化电源的结构，制作更加小的电源将成为可能，并且使用单片机可以扩展许多功能，如显示，实时控制调整电压，可维护性强，由于目前国内有专门的PWM输出的单片机价格昂贵，普通的单片机I/O口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远达不到现代电源要求的工作频率，所以目前单片机控制的电源使用并不广泛，但是单片机在智能化以及可实现的用户友好界面，扩展性强等等方面的优势使其成为未来电源重要的发展方向。
因此，我们研究单片机控制的开关电源，非常有现实意义。
随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积和重量不断下降，这就要求有效率更高、体积更小、重量更轻的开关电源，使之能满足电子设备的日益小型化的需要。
这是未来开关电源设计所应考虑的第一个问题。
在开关电源中，由于功率晶体管工作在开关状态，当开关速度提高后，会受到电路中分布电感、电容成分或二极管中储存的电荷的影响而产生较大的浪涌和噪声，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐波干扰，这些尖峰电压或电流可能会损坏电路的器件，同时这些干扰会污染市电电网，影响邻近的电子仪器与设备的在正常工作。
虽然也可以采取一些抑制干扰的措施，在一定程度上降低这些干扰的影响，但目前阶段的精密电子仪器中，仍难以使用开关电源。
因此，克服开关电源产生的各种噪声干扰，是我们要努力解决的第三个问题。
1
附录
第一章概述
1.1课题来源及意义
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、高可靠性的电源起着关键作用。
----当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。
因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。
电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。
----电源，如今已经是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到高尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中不断的发展起来的。
电源的重要性不可否认，但是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，使用数码管显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制作。
1.2课题基本要求
（1）设计、制作开关电源；
（2）使用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘预置输入电压，可显示预置电压和输出电压；
（3）掌握开关电源的设计方法；
（4）掌握单片机软件编程方法；
（5）掌握PID控制原理。
1.3课题相关背景
我国的三极管直流变换器及开关电源的研制工作开始于60年代初期，到了60年代中期进入了实用阶段，紧跟着70年代初开始研制无工频变压器开关电源。
1974年研制成功了工作频率为10千赫兹、输出电压为5v的无工频开关电源。
近30年来，许多研究所、工厂及高校已研制出多种型号的开关电源，并广泛的应用于电子计算机、通信、家电等许多方面，取得了很好的效果。
工作频率为100千赫兹-200千赫兹的高频开关电源于80年代初期开始研制，90年代初试制成功，目前已经是非常成熟的电子产品。
按调制方式划分可以分为：
（1）脉宽调制型：
振荡频率保持不变，通过改变脉冲的宽度来改变和调节输出电压的大小。
通过采样电路、耦合电路构成闭合回路，来稳定输出电压。
缩写为PWM（PulseWidthModulation）。
（2）频率调制型：
占空比保持不变或关断时间不变，改变振荡器的频率来稳定并调节输出电压幅度。
缩写为PFM（PulseFrequencymodulation）。
（3）混合调制型：
通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并输出电压幅度。
通常采用的是脉宽调制型和混合调制型两种调制方式。
在脉宽调制中因为频率不变，所以无论是对电路中的磁性元件及晶体管的测试和设计都很方便，而且对射频干扰的抑制也变得比较容易。
混合调制则因其线路简单，也得到了广泛的应用。
相对而言，频率调制较少采用。
本文中采用的是脉宽调制型。
3
附录
第二章开关电源方案设计
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（SwitchingPowerSupply）。
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。
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
+
-
+
-
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开关电源与线性电源的比较
2.2.1线性电源的缺点
（1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；
（2）体积大、重量大，不能小型化；（3）必须有较大容量的滤波电容。
造成这些缺点的原因是：
（1）线性电源中功率晶体管V在整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。
功率晶体管本身的功耗与输出电流成正比。
这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大。
为了保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。
（2）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，他的效率只有80%-90%。
这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率，就必须增大滤波电容的容量。
2.2.2开关电源的优点
（1）功耗小，效率高。
图2.1中，开关管V在脉冲信号的控制下，交替工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，频率一般在50到200千赫兹。
这就使得功率开关管的损耗较小，电源的效率可以大幅度提高，其效率可以达到80%以上。
（2）体积小，重量轻。
由于没有采用大型的工频变压器，并且在开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去较大的散热片，因此开关电源的体积和重量都可以得到减小。
（3）稳压范围宽。
开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。
在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。
（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。
例如，若开关电源的工作频率为25千赫兹，是线性稳压电源频率500倍（25000/50赫兹），这使滤波电容的容量可以相应的缩小500倍，这使滤波电路中元件的体积和重量得以减少，同时也节省了成本。
2.3方案论证
单片机控制的开关电源，从对输出电压控制的角度分析，可以有几种可行的方案。
2.3.1方案1
方案1：
单片机通过数模转换输出一个电压，用作电源的基准电压，电源可以通过键盘预置输出电压，单片机不加入反馈控制，电源仍要使用专门的PWM控制芯片，工作过程为：
当通过键盘预置电压时，单片机通过D/A芯片输出一个电压作为控制芯片的基准电压，这个基准电压可以使得控制芯片按照预置电压值，来输出控制脉冲，以输出期望输出电压。
2.3.2方案2
方案2：
在方案1的基础上，单片机扩展模数转换器，不断的检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值的差值，调整后，通过D/A芯片输出一个基准电压，控制专门的PWM控制芯片，间接的控制电源工作。
2.3.3方案3
方案3：
单片机扩展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，输出一个PWM脉冲，直接控制电源的工作。
2.3.4方案分析
方案1分析：
单片机没有加入反馈控制，只是输出一个基准电压，这样单片机的作用非常的小，而且仍要使用专门的控制芯片，价格比较贵，电源成本增加，削弱了单片机的作用，不宜采用。
方案2分析：
单片机加入了反馈控制，作用得以利用，但是需要扩展A/D和D/A芯片，而且还是需要专门的PWM控制芯片，成本比方案1更高，更不宜采用。
方案3分析：
这个方案，单片机不仅加入了反馈控制系统，而且作为控制核心，单片机得以充分利用，而且省去了D/A芯片，成本大大降低，是真正的单片机控制。
综上所述，本设计选择第三种控制方案，单片机使用89C51，A/D芯片采用ADC0832，采用4位数码管显示采样值，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。
2.3.5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，通过ADC0832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整流滤波电路
开关变换电路
整流滤波电路
控制电路
辅助电源
四位数码管
取样电路
键盘
图2.2单片机控制开关电源系统框图
2.4难点分析
2.4.1如何提高电源工作频率
困难分析：
现代开关电源的工作频率已经可以达到300千赫兹，本次设计虽然采用了24M赫兹的晶振频率，可以通过单片机定时输出40千赫兹的频率，但是开关电源要求的是单片机的处理速度要足够快，51系列的单片机，即使使用24M的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，它的速度仍是比较慢的，而且这里单片机还需要做采样电压，扫描键盘，PID控制等等很多的工作，那么单片机就更加慢了，就算忽略这方面的影响，单片机可以通过定时器中断产生40千赫兹的频率，但是定时器中断产生的脉冲的有效电平，即占空比是不能够改变的，只能是50%，要设计输出可调的开关电源，显然行不通。
解决办法：
现在的问题在于单片机输出的脉冲占空比无法改变，硬件更改，只能是更换处理速度高的单片机，但是成本又增加了，而且还不一定比使用专门的PWM控制芯片的控制性能可靠，所以在此选择在软件上解决，具体思路为：
首先定义两个变量，一个周期T，一个占空比D，给它们赋值，T大于D，先让单片机I/O输出高电平，让T，D同时计数，当D计算到预计值，I/O口为低电平，然后低电平一直延续到T值时，I/O口输出高电平。
改变D，T的值可以改变脉冲频率，改变D值可以控制占空比。
算法需要使用定时器，根据电源的工作频率设定定时时间。
算法为：
D=100，T=1000；//定义变量，并赋值，占空比为100/1000=10%
VOIDtim0（）//定时中断
{P1.0=1;//P1.0输出高电平
D++;//同时计数
T++;
If（D==100）{P1.0=0；}//D到预计值，输出低电平
If（T==1000）{P1.0=1；//T到预计值，输出高电平
D=0；T=0；//清零
}
只要单片机时钟频率足够高，可以输出任意的频率。
2.4.2储能电感的绕制
使用储能电感目的在于，在功率开关管截止时，为负载存储能量，电气上的作用是把开关方波脉冲积分成直流电压。
本次设计储能电感的磁体要求为工作频率为100千赫兹，直流电阻小于0.3欧姆，饱和电流大于2A。
需要自己绕制，所需最小电感值可以由公式计算
式中为估计最大输入电压下，开关管导通时间，根据设计前辈们的经验，估计为开关周期的30%是比较合适的。
代入数据求得，取
电感的设计方法为其中为加入气隙的高磁导率材料铁心电感的截面积，为电感窗口截面积，，，其中I为电感电流有效值，为导线的电流密度，为绕组填充因数，（0<）。
，为铁心中的磁通密度。
计算出值，对照铁心产品手册，选择大于值的产品，即可查得对应的铁心截面积，由式确定绕组匝数。
2.4.3标度转换技术
本次设计使用了ADC0832，这种芯片只能采样0到5V的电压，所采集回来的电压对应的是0到255的数字量，而用户从键盘输入的是电压值，为了进行比较，需要经过标度转换，转换为数字量，以得到同样的单位量纲。
控制系统检测的被控对象的参数有着不同的量纲和数值。
所有这些参数都需要通过变送器转换为电信号，再通过A/D转换器或者V/F变换器转换为计算机所能处理的数字量。
由于不同参数的变化范围和量纲是不同的，因此同样的数字量表示的模拟量可能是不同的。
如同样是数字量255，可能表示的是5V的直流电压，也可以表示其他的量；即使是相同的量纲，如果变化范围不同，相同的数字量表示的模拟量也是不同的，数字0所以控制系统在进行显示、打印、记录和报警等操作时，必须把这些数据转换成相应的不同量纲的物理量。
这就是标度变换技术。
本次设计的标度转换为：
键盘输入为：
0到12V；采样0到5V电压对应数字量为0到255
变换程序：
r=input*255/12;//input为键盘输入值,r为转换后的数字量
就是说使预置的0到12v的转换为0到255的数字量，这样单片机系统才能够进行正确的比较处理。
2.5控制技术选择
2.5.1电压型控制技术
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。
电源的输出电压与参考电压比较放大，得到误差信号，又和三角波信号比较后，脉冲比较器输出一系列脉冲
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