哈尔滨剑桥学院毕业论文
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，核心是一个直流变换器。利用直流变换器就可以使一种直流电压变成数值不同、极性的各种直流电压。 如图2.1所示，电路的工作原理为：假设基准电压为10v，因为电网波动导致输入电压减小，所以输出电压也会减少，那么，所采样电压将减小，假设为9.9v，误差为0.1v，经比较放大后，脉冲调制电路根据误差，提高占空比使输出电压增大。
开关管输入整流滤波电路滤波电路输出89C52ADC0804采样电路
图2—1开关电源原理框图
按电路中功率管的工作方式分类，电源可分为线性电源与开关电源。线性电源是较早的一种电源，它的功率管工作在线性放大区[5]。
2.2 线性电源和开关电源的比较
2.2.1 线性电源的缺点
（1）必须要有较大的滤波电容；（2）体积大、不能小型化，重量也大；（3）效率低，功耗大，效率一般只有35%-45%。
缺点的原因是：（1）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，，所以必须增大滤波电容容量。
（2）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。功率晶体管本身的输出电流和功耗成正比。
2.2.2 开关电源优点
（1）功耗小，效率高。图2.1中，开关管V在脉冲信号控制下，工作在截止-导通与导通-截止交替的开关状态下，转换速度很快快，频率在50~200千赫兹。
（2）体积小，重量轻。
4
哈尔滨剑桥学院毕业论文
（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。
（4）滤波效率提高，并使滤波电容体积于容量减小。
2.3 系统方案论证
开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设计思路。开关电源的一般结构框图如图2.1所示，
图2—2 开关电源的一般框图
2.3.1 方案1
主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图2.2所示）
Vin+VoutPWM
图2—3 非隔离式DC-DC结构
2.3.2 方案2
主回路用隔离推挽式拓扑结构（如图2.3所示），输出和输入电气不相连，通过关开变压器磁偶合方式传递能量，最适合实验室使用。本设计用方案二。
5
哈尔滨剑桥学院毕业论文
Vout+-+
图2—4 隔离式DC-DC结构
2.3.3 方案3
方案3：单片机扩展D/A转换器，不间断的检测输出电压，并且根据电源输出的电压和键盘预置电压差值，输出了一个PWM脉冲，直接控制电源工作。
2.3.4 方案分析
方案1分析：采用脉冲频率调制FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，输出电压的调节范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。
方案2分析：采用脉冲宽度调制PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，。基于考滤题目的要求，本次设计用PWM调节方式。
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89C52，A/D芯片采用ADC0809，采用LCD显示采样值，键盘预置电压，设计中的任务要求输出可调。
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。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电压，是通过ADC0809传送进单片机里进行处理的，单片机可以根据处理的结果输出更新控制信号，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。在系统中，用户根据需要从键盘输入电压，单片机就会根据键盘输入和采样电压差值，更新脉宽，来对输出电压进行稳定控制。
当闭环时，电源就会自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置电压变化时，它先将键盘输入的值与从输出端取样的值相对比，比如当前键盘输入为100v，从输出端取样
6
哈尔滨剑桥学院毕业论文
的值为60v，差值为40v，则系统会根据差值，跟新脉宽。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 辅助电源 单片机控制电路 ADC0809取样电路 LCD显示 键盘预置 2—5 单片机控制开关电源系统框图 2.4 系统难点分析 2.4.1 如何提高电源的工作频率 困难分析： 现如今开关电源工作频率已经可以达到200千赫兹以上，所以本次设计虽然采用了24M赫兹晶振频率，但开关电源要求的是单片机的处理速度要快，51系列单片机，虽然使用24M的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，但是它的速度仍然比较慢，并且单片机还要做扫面键盘，采样电压，PID控制等很多工作，那么单片机更加慢，虽然可以忽略这方面影响，单片机可通过定时器中断产生40千赫兹频率，但定时器中断产生的脉冲有效电平，即占空比是不可以改变的，只可以是50%，所以要设计输出可调的开关电源，显然行不通。 7 哈尔滨剑桥学院毕业论文 解决办法： 现在的问题是在于单片机输出的脉冲硬件更改，占空比不可以更改，只可以替换速度高单片机，但是成本又增加了，所以在选择在软件上解决问题，分为：第一要定义两个变量，一个占空比D，一个中期T，给它们赋于值，T要大于D，先让单片机I/O输出高电平，让D，T同时开始计数，当D计算到预计值时，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T，D的值可以改变脉冲频率，改变D值可以控制占空比。 算法为： D=100，T=1000；//定义变量，并赋值，占空比为100/1000=10% VOID tim0 ()//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到预计值时，输出的是低电平 If （T==1000）{P1.0=1；//T到预计值时，输出的是高电平 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 我们用储能电感目的，是在功率开关管截止的时候，可以为负载存储能量，电气上的作用是可以把开关方波脉冲积分成直流电压。需是自己绕制，需要最小电感值可以由公式计算 Lmin?(Vinmax?Vout)Ton 式中Ton为估计最大输入电压下，开关管导通时间，根 1.4Ioutmin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Lmin?76.8uH，取L?100uH 电感的设计方法为Ap?AeAw 其中Ae为加入气隙的高磁导率材料铁心电感的截面积，Aw为电感窗口截面积，Ae?LImNI，Aw?，其中I为电感电流有效值，j是 NBmKcj导线电流密度，Kc是绕组填充的因数，（0 LImI，Bm为铁心中的磁 BmKjc
基于单片机控制的开关电源的设计 - 图文
