基于单片机控制的开关电源论文(经典)

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1、目 录引言.11 概述.11.1 课题来源及意义 .21.2 课题基本要求.21.3 课题相关背景.22 开关电源方案设计.32.1 开关电源工作原理.32.2 开关电源与线性电源的比较.42.3 方案论证.42.3.1 方案 1.42.3.2 方案 2.52.3.3 方案 3.52.3.4 方案分析.52.3.5 总体结构设计.52.4 难点分析.62.4.1 如何提高电源工作频率.62.4.2 储能电感的绕制 .72.4.3 标度转换技术.72.5 控制技术选择.82.6 开关变换器结构分析与选择.92.7 开关电路器件参数选择.122.7.1 功率开关管的选择.122.7.2 滤波电容的

2、选择.132.7.3 储能电感的选择.132.7.4 续流二极管的选择.143 硬件电路设计.143.1 电源电路设计.143.1.1 整流滤波电路.143.1.2 开关变换电路.143.1.3 分压电阻的计算.153.1.4 保护电路 .153.2 控制电路设计.163.2.1 反馈电路设计.173.2.2 四位数码显示电路设计.183.2.3 单片机与键盘接口电路设计.194 软件设计.194.1 总体编程思想.204.1.1 键盘防抖动子程序.204.1.2 数码显示子程序.214.1.3 采样子程序.224.1.4 中断处理程序设计.234.1.5PID 控制算法.244.1.6 数字

3、滤波 .245 系统调试.255.1 硬件模块调试.255.1.1 整流滤波电路的调试.255.1.2AD 转换的调试.255.1.3 脉冲输出电路的调试.255.1.4 功率开关管的调试.265.2 电源性能指标的测试.265.2.1 开关电源的技术指标.265.2.2 输出电压的测试.275.2.3 最大输出电流的测试.285.2.4 过流保护的测试.285.2.5 电压调整率的测试.285.2.6 纹波电压的测试.296 结论.29谢辞.29参考文献.30附录.31 引言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

4、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

5、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。

6、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。开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，要进一步提高开关电源的效率，就要提高电源的工作频率。但频率提高后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。进一步研制生产出适合于高频工作的开关管、高频电容、开关变压器、储能电感等元器件是开关电源设计所面临的另一个问题。在开关电源中，由于功率晶体管工作在开关状态

7、，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 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

8、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

9、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

10、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

11、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