脈沖寬度調(diào)制型開關穩(wěn)壓電源的設計

1、洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 脈沖寬度調(diào)制型開關穩(wěn)壓電源的設計摘 要本論文重點論述了一種以AT89C51單片機為控制器的穩(wěn)壓開關電源，主電路采用典型單端反激電路模式，該穩(wěn)壓電源系統(tǒng)包括主電路、控制電路、驅(qū)動電路、過欠流保護電路、過欠壓保護電路等。它具有電路結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組成元件少、保護功能完善、應用范圍廣泛等優(yōu)點。 主體部分首先介紹開關電源的發(fā)展和現(xiàn)狀，然后介紹穩(wěn)壓開關電源的工作方式，PWM控制器的基本原理，接下來設計了電路的整體框架和各部分分支模塊，51系列單片機作為控制核心，輸出電壓在0到100V可調(diào)，輸出電流需要達到2A，步進的精度是1V,通過改變數(shù)字量來改變輸出電壓，通過矩陣按鍵來對電

2、源的輸出電壓進行數(shù)字設定，輸出電壓的反饋采用“同步采樣”方式，可以有效避免電壓尖峰對信號檢測的影響。采用多種有效措施降低電磁干擾（EMI），增強電磁兼容性（EMC）。將鍵盤控制設定的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓顯示于數(shù)碼管。關鍵詞：開關電源，PWM，單片機，數(shù)模轉(zhuǎn)換器The Design of PWM Control Switch Regulated Power Supply ABSTRACTFocused on this article is a AT89C51 single-chip controller for switching power regulator, The width of p

3、ulse is controlled by PWM, the main circuit used a typical single-ended flyback circuit model. The system consists of the main circuit, control and drive circuits, over-current protection circuit. Simple circuit structure, less the original system components, wide application range are advantagesFir

4、stly introduce the development and current status of switching power supply, then a switching power supply works and basic principle about PWM is introduced, the design of the overall framework and the various parts of the branch circuit under the guidance of methodology of integrated circuits desig

5、ned the total circuit is last. Then, the author simulates functions of module. 51 series single chip processor as the core.The output is adjustable from 0 to 100, output current can reach 2A, step accuracy is 0.1V. To change the output voltage by changing the digital quantity, the output voltage syn

6、chronous sampling methods, can effectively avoid the impact of signal detection voltage spikes, using a variety of effective measures to reduce electromagnetic interference, enhanced electromagnetic compatibility through the button to set the output voltage of power supply, to set the keyboard to co

7、ntrol the analog voltage is converted into digital display voltage on the digital tube.KEY WORDS: Switching power supply, AT89C51, PWM control signal chip, Digital to analog convert3目錄前言1第1章 開關穩(wěn)壓電源發(fā)展及本文的工作21.1 PWM開關電源技術的發(fā)展與研究現(xiàn)狀21.2 擬解決的主要問題3第2章 開關穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)及具體設計42.1 PWM開關穩(wěn)壓電源的概念42.2 PWM開關穩(wěn)壓電源的特點42.3開關穩(wěn)

8、壓電源的電源結(jié)構(gòu)52.4 設計要求62.5方案的選擇62.5.1 備選設計方案62.5.2方案論證8第3章 系統(tǒng)的硬件電路設計103.1系統(tǒng)的原理框圖與電路圖103.2系統(tǒng)組成原理113.3 電源部分123.3.1穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)組成123.3.2 電源設計143.4數(shù)字控制部分153.5信號處理電路153.6鍵盤與顯示部分163.6.1顯示部分163.6.2 鍵盤部分163.7 輸出電路173.7.1 穩(wěn)壓輸出部分173.7.2 輸出電壓顯示電路183.8變壓器的設計183.8.1概述183.8.2變壓器的設計方法183.8.3變壓器的設計步驟20第4章 系統(tǒng)的軟件設計224.1開關電源的軟件組

9、成224.2系統(tǒng)的控制算法234.2.1數(shù)字濾波器的設計234.2.2數(shù)字控制器的設計234.3中斷程序244.4鍵盤顯示程序254.5穩(wěn)壓控制254.6系統(tǒng)誤差分析26第5章 擴展電路275.1抑制紋波275.2過流保護275.3過電壓欠電壓保護28結(jié)論30謝 辭31參考文獻32附錄34外文資料翻譯39前言新世紀以來穩(wěn)壓電源已被廣泛地應用于各行各業(yè)中，就像現(xiàn)在的手機一樣，有著非同一般的地位，對人們的日常生活，有很大的影響。八十年代初期，隨著微電子學的迅猛崛起，大規(guī)模的集成技術漸漸趨于完善，穩(wěn)壓電源的成本相對其他產(chǎn)品較低，而且性能很好，穩(wěn)定可靠，控制電路應用方便，因而使開關穩(wěn)壓電源的電路可以變

10、得相對簡單許多；同時近年來，隨著開關電源電路設計的快速進步以及應用的功率元件的迅猛發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源的性價比也發(fā)生非常大的改變，因此，新世紀以后開關穩(wěn)壓電源得以快速迅猛發(fā)展。開關電源在如今的所有直流穩(wěn)壓電源中比例已占百分之七十左右。本設計開關穩(wěn)壓電源的輸入為普通交流電220V，頻率是國家標準50Hz，需要輸出電壓是0V100V內(nèi)不間斷同時可以調(diào)節(jié)，輸出的電流值能夠達到2A，而且需要直觀的顯示出來輸出電壓值。電源的控制部分電路準備讓AT89C51單片機為全部系統(tǒng)的核心部分，還有數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，具有線路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、顯示更加的清晰和直觀等優(yōu)點。本論文中論述了電源的全部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和其工作原理，

11、之后詳細的講述了D/A、開關、顯示、穩(wěn)壓等電路的實現(xiàn)原理。同時還對給控制電路的硬件以及軟件流程的規(guī)劃進行了闡述。開關電源的應用普及，牽涉到許多學科，它是一個技術比較密集得產(chǎn)品，不僅僅是一個單單的電源。它在計算機、信息、自控、交通的處理，信息的處理之速度也越來越高，供電電壓就會一降再將；工作時的電流越來越大，不再使用原來的電路。所以，穩(wěn)壓電源必須使用新的電路、芯片。應用人員進一步在微處理器開關穩(wěn)壓電源上使用，大大地簡化了開關電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路，產(chǎn)品的可靠性得到迅速提高，產(chǎn)品的開發(fā)速度進一步加快。微處理器的使用使得開關穩(wěn)壓電源有了更多的功能極大的拓寬了開關電源的市場范圍。穩(wěn)壓電源可以依據(jù)不同的負載

12、，完全自動的選擇功率，電壓，使得開關穩(wěn)壓電源智能化?，F(xiàn)在的開關穩(wěn)壓電源向著綠色化、自動化、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。將來有一天也許會出現(xiàn)高端的開關電源。 第1章 開關穩(wěn)壓電源發(fā)展及本文的工作1.1 PWM開關電源技術的發(fā)展與研究現(xiàn)狀新千年以來穩(wěn)壓電源作為動力之源異軍突起蓬勃發(fā)展，我們的日常生活無時無刻不用到他，一個很明顯的現(xiàn)象就是，當你一個人火車旅行手機勢必不可少的工具，然而手機一族最擔心的就是手機沒電，旅行移動電源可以解決這樣的問題，可見它的發(fā)展對我們的日常生活多么的重要，50年代以來伴隨著歷次的電子學革命得到飛躍的發(fā)展。在穩(wěn)壓電源出現(xiàn)之前工業(yè)上的電源大多采用線性電源，這種電源有很多缺點比如

13、：轉(zhuǎn)換效率地，工作時間短，而且體積比較笨重，不適合大規(guī)模的使用以及推廣，生產(chǎn)生活的需要推動了電源產(chǎn)業(yè)的進步，1955年耶羅研制成功了晶體管控制器，開啟了電源產(chǎn)業(yè)嶄新的一頁，60年代以來，微電子學得到巨大的發(fā)展各種新型的晶體管開始出現(xiàn)，能夠承受較大反向電壓的晶體管誕生了，這具有里程碑式的意義，至此日常生活電壓可以不必經(jīng)過變壓器而進入變換器，大大方便了電壓變換。同時電源的體積得到降低，電源的可靠性也有極大的改善，更加的安全可靠，穩(wěn)壓電源的發(fā)展涉及很多學科，相關學科的進步都可能對它的進步產(chǎn)生影響，吸取其他學科的精華穩(wěn)壓電源產(chǎn)生了新的進步。進入70年代相關的高壓、高頻晶體管以及電容的出現(xiàn)開啟了新的革命

14、，穩(wěn)壓電源進入有一個蓬勃進步的十年，穩(wěn)壓電源在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及軍工方面發(fā)揮巨大的作用，從天空的嫦娥到海底的蛟龍無不存在著穩(wěn)壓電源的身影，可以自信的說開關電源的前景會更加輝煌。最近幾年PWM型穩(wěn)壓電源成為研究的新寵，相關的研究成果不斷涌現(xiàn)呈現(xiàn)巨大的的進步，美好的前景吸引大量的人員進入相關領域，我不斷接受相關的成果消化吸收希望可以取得一定的進步為社會貢獻自己的能力。 1.2 擬解決的主要問題(1) 以89C51為基礎，通過輸入的數(shù)字量的改變來達到輸出電壓值的改變。(2) 通過A/D轉(zhuǎn)換，依靠單片機間接實現(xiàn)電壓電流的采樣，經(jīng)行數(shù)據(jù)的處理與顯示。(3) 直流電源輸出電壓經(jīng)過按鍵來設置，用顯示屏顯示采樣電

15、壓和設定電壓。(4) A/D轉(zhuǎn)換采用專門的芯片，將模擬電壓變換成數(shù)字電壓顯示于數(shù)碼管。(5) 詳細畫出PWM型開關穩(wěn)壓電源的電路圖和各部分子電路。(6) 闡述其工作原理。(7) 對電源的軟件設計部分給出正確的流程圖和主程序及各子程序。第2章 開關穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)及具體設計2.1 PWM開關穩(wěn)壓電源的概念開關電源與線性電源是相對來說的，也就是該電源中功率開關管調(diào)工作在飽和區(qū)以及截止區(qū)，當其在截止狀態(tài)時，是普通開關的斷開狀態(tài)，當在飽和狀態(tài)時，同樣也就類似于一般開關的閉合的狀態(tài)。這就起到相當于開通二極管的作用，也就是通過開關管使得電源的電壓進入穩(wěn)定得電壓，開關管能作用是斬波， PWM控制器的作用下，能

16、夠?qū)⑤斎胫绷麟妷鹤兂筛叩蛪赫伎毡瓤梢哉{(diào)整的矩形波，然后經(jīng)過輸出的整流的濾波器并且輸出直流。然后開關管使得電源電壓達到穩(wěn)定，我們還能夠利用微型處理器，用單片機來控制電路，與此同時能夠?qū)崿F(xiàn)電壓值的數(shù)字控制和現(xiàn)實。2.2 PWM開關穩(wěn)壓電源的特點1. 功耗小、效率高開關穩(wěn)壓電源的調(diào)整管在開關狀態(tài)工作時，假如其導通，C、E兩極兩端的電壓值降趨于0；假如它截止的話，集電極的電流就會變成0。此時，調(diào)整管的功耗會很小。然而普通的串聯(lián)型的開關穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)管是工作在放大狀態(tài)的，經(jīng)過的電流比較大，管壓降也會比較大，此時調(diào)整管的功耗大。2. 穩(wěn)壓范圍寬穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓的范圍比較寬。所以仍能夠輸出平穩(wěn)的直流電壓，就算

17、使電網(wǎng)得電壓在130V260V來回震蕩。不過一般情況下串聯(lián)型的穩(wěn)壓電源允許的電網(wǎng)的電壓變化范圍一般是190V240V。3. 整機的穩(wěn)定性和可靠性提高鑒于穩(wěn)壓電源的功率損耗比較小，使得機內(nèi)溫度升高變小，整個機器的熱穩(wěn)定性以及可靠性會得到極大的提升，同時免于因溫度問題損傷某些元器件。而且同時開光電源能夠比較方便地進行過壓、過流保護電路設計、一旦電路出現(xiàn)過流、過壓問題，保護電路會動作使開關穩(wěn)壓電源部分停止工作，這樣就阻止了故障范圍的蔓延。4. 體積小、重量輕穩(wěn)壓電源是對普通交流電整流以及濾波，接著通過穩(wěn)壓調(diào)整管輸出，不需要很重得電源側(cè)電壓器，因此它就有重量小、體積小的優(yōu)點。5. 易于實現(xiàn)多路電壓輸出

18、和遙控穩(wěn)壓電源能夠采用儲能的變壓器的不同匝數(shù)的二次繞組得到數(shù)值不同的輸出電壓，同時每個輸出電壓之間也不會產(chǎn)生干擾。與此同時，可控制調(diào)整管工作的狀態(tài)，進而實現(xiàn)電源電路的遠程遙控，滿足遙控關機的目的。2.3開關穩(wěn)壓電源的電源結(jié)構(gòu)開關穩(wěn)壓電源主要由輸入整流濾波器、功率開關管及高頻變壓器、控制電路、輸出整流濾波器、反饋電路組成。電源的基本構(gòu)成如圖2.1所示。圖21開關穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖220V交流電u首先經(jīng)過整流濾波電路，變成直流電壓U1，再由功率開關管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過整流濾波后獲得所需要的直流輸出電壓U0。單片機能夠產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，控制功率開

19、關管的通、斷狀態(tài)，進而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達到穩(wěn)壓的目的。該控制部分以89C51為控制基礎，對輸出的電流或者電壓進行采樣，在和規(guī)定值進行比較去調(diào)整直流直流變換電路，單片機通過鍵盤規(guī)定電源輸出的MAX/MIN，同時對輸出地電流以及電壓采樣、比較，比較之后通過改變脈沖寬度來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓，通過直流直流變換電路改變電壓，電流經(jīng)過單片機的檢測超過規(guī)定值保護部分就會發(fā)揮作用。2.4 設計要求這篇論文所設計制作的開關電源，要達到步進的精度，輸出電壓范圍0至100V，電流可以達到2A。主控芯片我們采用單片機AT89C51，用以控制D/A的輸出電壓值，也可以選擇其它可行的方案。對于這個數(shù)控開關穩(wěn)壓電源，要詳細畫

20、出它的電路圖和各部分子電路，并解釋其工作原理，另外，對于此電源的軟件設計部分也要給出正確的流程圖和相關的主程序及各子程序。2.5方案的選擇2.5.1 備選設計方案依據(jù)設計的需要，如下圖：圖 2.2 調(diào)制管控制的穩(wěn)壓電源方案一：使用一般的設計方法來滿足題目的需要，如果控制系統(tǒng)使用的計數(shù)器是十進制，而且電壓能夠通過譯碼來顯現(xiàn)，輸出的就是D/A之后電壓得基準的調(diào)節(jié)，從而控制輸出地電壓。方案二：電源控制系統(tǒng)的基礎是AT89C51，輸出的電壓能夠依據(jù)數(shù)字量的調(diào)節(jié)來改變。AT89C51可以對輸出地經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換的電壓進行采樣，然后和事先的設定值比較，達到監(jiān)測實際輸出電壓的目的。接下來還有數(shù)據(jù)的處理問題然后

21、就是讓處理后的數(shù)據(jù)顯示出來，電流的控制以及預先的設定可以采用編程實現(xiàn)。直流電源是這個系統(tǒng)的中心，電源各個模塊的功能實現(xiàn)容易，硬件部分簡單明了。電源系統(tǒng)的核心模塊式AT89C51，通過按鍵設置電源輸出電流值，AT89C51可以顯示電壓規(guī)定值以及實際的電壓值，它控制精度可高到1上下，D信號的有AT89C51輸出，A信號則出自DA0832。運算放大器的放大以及隔離可以用來控制功率管。穩(wěn)壓電源的輸出由于基極電壓的變化而不同。AT89C51還不斷地鍵控這個電壓值，檢測的電壓經(jīng)經(jīng)過了過A/D轉(zhuǎn)換進行分析，由于反饋電壓的存在電壓就會趨向穩(wěn)定的穩(wěn)定值。圖2-3 單片機控制的穩(wěn)壓電源2.5.2方案論證1. 顯示

22、部分方案一輸出是譯碼顯示的電壓直接量化值，輸入值是A/D產(chǎn)生的原始值結(jié)果，A/D轉(zhuǎn)化的過程中可能存在量化誤差同時驅(qū)動模塊也存在誤差，因此電源的的顯示值和實際電壓值是不同，這是非常有可能的。再來看看方案二，電源輸出得電壓值需要經(jīng)過電壓表來采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析以及轉(zhuǎn)化之后顯示實際的電壓值。假如全部的電源系統(tǒng)表現(xiàn)出不同于一般情況下的情況，好比說：產(chǎn)生實際輸出值對比事先規(guī)定值有的數(shù)誤差比較大，讓我依次來進行正確的處理方式。與此同時方案二之繼續(xù)使用鍵盤以及顯示器得接口的控制器處理。這樣的方法的采用步進使系統(tǒng)電源的的接口電路接線變得更加簡單明了化簡，與此同時查詢的時間也相應得到了進一步縮短，這樣就會使

23、得使CPU的使用率更加提升。2. 數(shù)控部分方案一里面數(shù)控的部分用點中型以及小型的元件來搞定，對于我使用相對大量一些的芯片問題，這樣會增加比較多的影響而且是負面的。假如說說系統(tǒng)滴排除得外在的干擾的實力會比較變差，系統(tǒng)得內(nèi)部的各部分得關聯(lián)型太多而且比較復雜。就方案二之中中使用AT89C51完成了全部系統(tǒng)的數(shù)字控制模塊的的工作，這樣一來8031使得全部系統(tǒng)功能的模塊擴展擴展的得更加容易實現(xiàn)。3.輸出部分方案一中我們讓穩(wěn)壓電源采用線性的，經(jīng)過調(diào)節(jié)基準電壓的方法來達到輸出電壓值不僅僅上升或是下降的目標，假如這樣的話我們必須考慮到整流以及濾波之后的紋波對與輸出的產(chǎn)生的影響，但是第二個方案中使用運放當做前級

24、的運放，因為運放的電源電壓抑制比相對來說比較大，能夠很大程度的降低輸出的電壓。但是在第一個方案中，我在系統(tǒng)的輸出端并聯(lián)一個相對來說比較大的電容的響應速度降低，同時我們能夠抑制紋波，因此加速變化的輸入值就不容易被跟蹤到。第二個方案中的A/D輸出電壓波形就會和輸出波形一樣，此時不僅僅可以輸出直流電壓值，而且能夠產(chǎn)生多種的波形輸出，使得整個系統(tǒng)產(chǎn)生有驅(qū)動能力的信號源。綜上所述，選擇二方案，采用單片機來實現(xiàn)的PWM穩(wěn)壓電源。第3章 系統(tǒng)的硬件電路設計3.1系統(tǒng)的原理框圖與電路圖電源的系統(tǒng)組成是：主程序，兩個中斷服務程序，一個子程序，它控制著PWM穩(wěn)壓電源正確的進行工作。主程序的流程圖如下所示圖3-1

25、系統(tǒng)的原理框圖運行單片機之前需要進行初始化，首先將單片機的各個端口復位，讀出上次關機前存入的數(shù)據(jù)，對開關電路進行控制，并將開關結(jié)果顯示出來。當完成初始化后，打開中斷。有中斷請求則響應中斷，若無中斷請求則進行數(shù)據(jù)采集讀出給定值，接下來是數(shù)據(jù)處理，如果發(fā)生短路或者過流情況，報警保護子程序發(fā)揮作用，否則按照電壓控制算法對脈沖寬度重新設計，激勵開關電路。過熱檢測保護報警程序、鍵盤設定程序是兩個中斷服務子程序，保護報警程序是子程序。3.2系統(tǒng)組成原理根據(jù)圖3-2可以知道，交流電經(jīng)過整流濾波電路得到直流電壓U1，設定的電壓值通過單片機產(chǎn)生相應脈寬的驅(qū)動信號，進而調(diào)節(jié)功率開關管的通、斷狀態(tài)，再經(jīng)過高頻變壓器

26、T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后經(jīng)過整流濾波得到所需要的直流電壓U0。輸出的電壓值經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換送到單片機P0處并和預設值一起顯示，當輸出的電壓值大于設定值時，單片機發(fā)出信號減小PWM信號脈寬，V3的用處為保護控制，當保護取樣信號有一個時高電平時，P27轉(zhuǎn)變成低電平，V3截止，系統(tǒng)不工作。V2完成輸出的電平移動，保證當開關占空比為最小值的情況下，系統(tǒng)輸出的電壓值是0。最小負載是由R1、R2構(gòu)成，保證空載情況下也能正常得運行。R3以及R4目的是實現(xiàn)電壓的移動，讓0100V的輸出電壓變成05V，通過A/D轉(zhuǎn)換以后送往AT89C51的P0處。假如輸出的電壓值顯示不準確的話，就可以調(diào)節(jié)R3和R4來調(diào)整。

27、P1處的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，電壓調(diào)整后是38V的電壓，經(jīng)過光耦完成對開關脈沖占空比進行的改變。V3的用處為保護控制，當保護取樣信號有一個時高電平時，P27轉(zhuǎn)變成低電平，V3截止，系統(tǒng)不工作。偏執(zhí)電路（VD3、C3），給光耦合器的光敏三極管提供偏壓，目的是實現(xiàn)三極管的導通。系統(tǒng)開機復位后，P0、P1、P2口均為FFH，V3導通，UA為8V，光耦的電流最大，UD電壓最高，開關脈沖的占空比最小，輸出電壓最低為0圖3-2 系統(tǒng)原理圖3.3 電源部分3.3.1穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)組成整流電路以及電源變壓器濾波電路還有穩(wěn)壓電路和電源變壓器構(gòu)成了我設計的穩(wěn)壓電路，見圖3-4：（1） 穩(wěn)壓電路：因為溫度、輸入電壓

28、、負載的作用，電壓輸出大多數(shù)情況下不趨于穩(wěn)定。鑒于此我以原來的電路為基礎添加一個穩(wěn)壓電路，這樣就使我們能夠得到一個穩(wěn)定的持續(xù)的電壓。（2） 濾波整流電路：我們把交流電變換成脈動電，稱之為整流。通常情況下，濾波整流電路中我們加載的有電容器件。 圖3-3整流濾波電路圖3-4全橋DC-DC電路在這里直接以上面的圖做為例子,簡單的的對全橋電路的運行原理進行分析。使用PWM的運行過程方式時,線路中的直流電壓Vin逐個的加在兩個橋壁上:Q1、Q3和Q2、Q4。一旦當處于對角線上方向上的兩個開關管同一時刻導通情況下,功率才可以穿過變壓器,傳到負載一側(cè)。如果開關管都關閉得話,其續(xù)流用的二極管向負載電流繼續(xù)連續(xù)

29、的供應通路狀態(tài),與此同時,它的濾波用電容會繼續(xù)向負載供給能量,按照控制這四只開關管得通斷的時間和通斷的順序,此時變壓器原邊將會獲得按照占空比例D變化得正半周以及負半周是相互對稱得交流的方波形式電壓。假如變壓器的變比是n,則變壓器次邊將產(chǎn)生幅值為Vin/n得交流的方波電壓,通過二極管DR1、DR2構(gòu)成的電感Lf和整流電路以及電容Cf構(gòu)成的低通得濾波得電路最后就可以獲得到所需要的平滑的直流輸出的電壓值。鑒于全橋式的變換器在本質(zhì)上是屬于Buck變換器,假如不去考慮效率值等影響因素,那么輸出的電壓值以及占空比D就成正比例關系。經(jīng)過調(diào)整占空比D的值就會簡單的調(diào)整輸出的電壓值。此外上面的結(jié)構(gòu)圖中,如果采用

30、變壓器的隔離還會存在以下的好處:（1）鑒于存在具有隔離的功能的雙繞組線,其繞組就會按照匝數(shù)之比的不同來調(diào)整變比,所以,其電路的電壓值增益的變化不僅僅靠的是占空比,應該還可以依靠繞組的匝數(shù)比,這樣就是設計變得不那么繁瑣與艱難,同時系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到極大地提高。（2)可以改變基礎的變換器的拓撲結(jié)構(gòu)中實際存在的局限性問題,比如,輸出與輸入之間不隔離,輸出與輸入得電壓或者電流比不可以太大和沒有辦法實現(xiàn)多路輸出等問題。我的論文中所設計的系統(tǒng)的機構(gòu)跟上面的圖大致相同,其不同的地方就是:后級采用單相的全橋的整流結(jié)構(gòu)去提高系統(tǒng)的容量。直流變換器的控制方式大致包含三種：(1) PWM式，通過改變脈寬進而改

31、變占空比來獲得穩(wěn)定的電壓。(2) PDM式，按照改變脈沖數(shù)的方法得到穩(wěn)定電壓。(3) PFM式，就是根據(jù)開關頻率改變來變化占空比實現(xiàn)電壓穩(wěn)定。(4) PWM&PFM， 就是開關的頻率脈寬都可以改變?？紤]到實際情況，我的論文采用的是第一種方式。圖3-5 穩(wěn)壓電路圖3.3.2 電源設計此部分一般我們采用+5V以及15V電壓供電：AT89C51部分供電我才用+5V的電壓。濾波用電容的參數(shù)在選取時，整流管的壓降問題使我們要考慮到的；對于10%是最小情況下的允許的壓降的波動，所以計算得到的參數(shù)允許的最大紋波的峰峰值： （41） （42）因此我使用C=4700Uf/16V的電源。然后我來進一步介紹

32、15V電源：允許的紋波峰值為 （43）根據(jù)近似電流放電計算，可得： （44）根據(jù)計算結(jié)果選取的參數(shù)為C=2200uF/30V3.4數(shù)字控制部分此模塊我選用咱們教材上講的非常多的AT89C51。其價格低廉，性能優(yōu)良這是它的顯著優(yōu)點，與此同時相對來說它的應用比較廣泛。3.5信號處理電路按照計算結(jié)果，同時依據(jù)題目的要求：開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓為0V100V，精度為1V，因此會有100個對應的狀態(tài)。因此256個狀態(tài)位的D/A裝換芯片能夠滿足需要，所以采用8位的DAC0832來完成設計。DAC0832相應的引腳功能如下：表3-1 DAC0832的引腳功能引腳序號引腳名稱引腳功能1CS片選信號2WR1寫信

33、號13AGND模擬地4-7D3-D0數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入線8VREF基準電壓輸入線9RFB反饋信號輸入線10DGND數(shù)字地11-12IOUT1-IOUT2電流輸出線13-16D7-D4數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入線17XFER數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移控制信號線18WR2寫信號219ILE數(shù)據(jù)鎖存允許信號 3.6鍵盤與顯示部分3.6.1顯示部分數(shù)據(jù)顯示按照串行方式從AT89C51的P12口輸出至移位寄存器74LS164的A、B端口，然后使并行的數(shù)據(jù)從輸出端Q0Q7輸出，可以用來控制開關管WT1WT3集電極，然后讓輸出的LED段選碼送到數(shù)碼管LED1以及LED2。位選碼由AT89C51的P14P16口處輸出并且通過譯碼器到開關管基極

34、，完成對數(shù)碼管進行位選控制，之后數(shù)碼管就以100ms輪流來顯示。鑒于人眼睛的殘留效應，數(shù)碼管看上去幾乎是差不多是一齊顯示出來的。3.6.2 鍵盤部分鍵盤是把無數(shù)個按鍵構(gòu)成的的開關矩陣。鑒于此它價格方面比較優(yōu)惠。通常情形下，單個鍵盤包括部分字母鍵、功能鍵，數(shù)據(jù)鍵。依賴鍵盤對計算機進行基本指令數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)地址的輸入，人機對話也是我們完全可以比較容易完成的。按照分類我們一般把其分為2類：一種是非編碼鍵盤，另外一種是編碼鍵盤。 3.7 輸出電路3.7.1 穩(wěn)壓輸出部分由于此電路的穩(wěn)定電壓輸出模塊是由數(shù)字控制這塊的電壓的控制規(guī)則轉(zhuǎn)變的，穩(wěn)壓輸出、A/D轉(zhuǎn)換、延時啟動、以及過流保護顯示是它的重要組成部分，

35、0100V作為電壓的輸出范圍，步進精度為1V，共有100個狀態(tài)位，所以我選用DAC0832的A/D轉(zhuǎn)換器這和前面的介紹相呼應。這次論文里的模塊采用1個控制字當做1V，比如0.0，1.0，2.0100V作為電源部分的輸出電壓，則電壓控制字就由0,1,2100。假如輸出的電壓達到100V情況下，A/D的基準電壓值就是+100V。D/A這塊輸出電壓最大為：V （4-5）由A/D這里的輸出電壓值可以代替穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓值，這兩個電壓值之間的關系是線性的，變化范圍是0100V，當然我們既能夠認為穩(wěn)壓輸出部分采用的是串聯(lián)反饋型的穩(wěn)壓電路，也可以認識到輸入的直流功率放大器是參照的預設電壓。運算放大器與

36、三極管主要組成這塊電路，運放的同名端由D/A轉(zhuǎn)換這一塊的輸入電壓值而得到，通過R5、RW3以及R6的構(gòu)成的分壓電路分壓以后流入運算放大器的反相一端，經(jīng)過運算放大器的比較放大之后，復合調(diào)整管被其驅(qū)動。一旦A/D轉(zhuǎn)換輸出的電壓以及取樣電壓值相同的情況下，這時候，電路就達到了平衡的狀態(tài)，經(jīng)過計算得到R6為340，R5是500。假設電壓輸出為VOUT，電位器處于中間的狀態(tài)，我們可以算出其大?。?(4-6) (4-7)因為V1=V2，得到Vout=100v3.7.2 輸出電壓顯示電路采用數(shù)字電壓表對輸出電壓進行采樣以及測量，然后還要顯示出來，這樣可以完成輸出電壓值的隨時監(jiān)督控制，我們可以經(jīng)過顯示器顯示2

37、個電壓值：第一個是AT89C51預先設定的電壓值然后另一個就是輸出電壓的實際測量值。當系統(tǒng)正常工作時它們相差比較小。如果出現(xiàn)異常狀況，我們能夠通過顯示電路發(fā)現(xiàn)期望值不對，接著采用相應的方法處理。3.8變壓器的設計3.8.1概述變壓器式PWM穩(wěn)壓電源得基本部件，它的作用是電壓變換、電氣隔離、以及傳輸能量。DC-DC變換器可以分為兩個主要的類型:非隔離變換器以及隔離變換器,其中隔離與否就是指主電路的功率傳輸?shù)倪^程中是不是存在著電氣隔離,絕大部分情況下就是指是不是存在著變壓器的隔離。非隔離的變換器之中,還是包含著不少缺點,比方說,輸出與輸入沒有辦法隔離系統(tǒng)的安全性就會存在一些隱患,輸出輸入得電流以及

38、電壓比沒有辦法很大和沒有辦法實現(xiàn)多路的輸出等一系列難題。很明顯這一系列問題可以用變壓器來解決，他可以在主電路中實現(xiàn)：隔離、降壓、多路輸出的任務。比較實用的隔離用變壓器主要包含以下幾中特征:(1)從不理想得直流到理想得直流都能實現(xiàn)變換; (2)它在變換的情況下可以不考慮能量的損耗; (3)輸出和輸入可以完全的隔離; (4)它的變換過程中中,不管是從副邊到原邊或者原邊到副邊,結(jié)果都是一樣的有效方便。所以變壓器用在隔離直流一直流變換器之中起到十分關鍵的作用,變壓器的性能的高低會直接影響到全部系統(tǒng)性能的高低。3.8.2變壓器的設計方法穩(wěn)壓電源中有兩種常用的設計方法來設計變壓器, 第一種是求出它的一些參

39、數(shù),然后查表找出它的磁芯的編號,并進行設計。另外一種是求出磁芯的窗口的面積AW以及磁芯的有效的截面積得乘積AP。依據(jù)AP值的大小,找到所需要的磁性材料得編號。前面一種辦法叫Kg法,后面的方法就叫做為法。我采用的就是AP法,因此僅僅對AP法進行簡單的介紹。設變壓器副邊Ns匝，原邊匝, ,當原邊按照電壓V進行工作情況下,按照定律： （48）式子中 為磁通的密度 為開關正常情況下頻率 波形系數(shù)，方波取4 磁芯的有效面積鐵芯的窗口的面積和使用的系數(shù)的乘積，就是,它的面積就是原邊的繞組與副邊的繞組Ns所占據(jù)滴窗口面積之和。即： （49）其中 為窗口使用系數(shù) 每匝原邊繞組占用面積 鐵芯的窗口的面積 每匝副

40、邊繞組的面積每匝的占用面積以及流過的電流值I以及電流的密度J有下列的式子： 經(jīng)過整理可得： （410）就是鐵芯的截面積與變壓器的窗口面積滴積。為副邊以及原邊的功率。以上的式子顯示出工作的磁密度、波形的系數(shù)、窗口的使用系數(shù)值、工作的開關頻率值、以及電流的密度值J都會對面積的乘積產(chǎn)生影響。其中電流的密度值J會對溫升產(chǎn)生直接的影響,也會影響到,可表示為:J=上面式中 X為數(shù)值，根據(jù)實際情況定。進一步可得： （411）因此以上的表達式表明鐵芯的選取就是AP值的合理選擇,當輸出功率為PT情況下,鐵和銅損的溫升就是在規(guī)定的范圍之內(nèi)。3.8.3變壓器的設計步驟鑒于本論文中所涉及的橋式的變壓器,它的2個周期之

41、內(nèi),它的變壓器的原邊的繞組一直處于工作狀態(tài),繞組以及磁芯的利用效率率相對較高,想要降低磁化的電流值,使得原邊的匝數(shù)比較多,因此選擇一些合金材料來當做磁芯的材料,而且要求磁芯不帶氣隙值。（1）確定鐵芯型號按照電源得效率以及容量來穩(wěn)定電源的輸入功率值?；蛘咴O計出電源的輸出的電壓值為220V,滿負載時輸出的電流值就是2A,所以輸出功率就是:220V 2A=440W輸入的功率為，假設系統(tǒng)的效率為91%： （412）此外電源模塊的工作時的頻率為20KHZ,因此可以選擇EE55/55/21的磁芯來使用。（2）確定鐵芯最佳的磁感應強度值當對變壓器進行設計的時候,要求確定鐵芯鐵損和銅損在一個允許得范圍之中,根

42、據(jù)多數(shù)情況下的工作的經(jīng)驗,仿制造的工頻變壓器都使鐵損等于銅損,因此設計得變壓器有很高的效率。然而鐵芯有一個最佳狀態(tài)的的磁感應的強度的幅值,這也是變壓器的工作的頻率、鐵芯損耗、工作的電壓以及副邊、原邊得匝數(shù)比等一系列參數(shù)。 （3）變壓器的匝數(shù)計算原邊的匝數(shù)主要由下面的式子確定:式子中 如果是副邊的匝數(shù)值,依據(jù)上面的式子可以確定每伏所需要的匝數(shù),之后輸出的回路的壓降的大小再加上輸出得額定電壓值V。也就是副邊的電壓,變壓器得原邊以及副邊的匝數(shù)能夠根據(jù)原副邊變比來確定最后求出匝數(shù)比0.8:1,滿足匝數(shù)比等于副邊以及原邊電流的反比,也就是0.8:1等于16:20。（4）變壓器的電氣參數(shù)制造變壓器就是一個

43、十分看重制作的工藝的過程,因此就會牽涉到大量工程方面的技術經(jīng)驗,所以此設計的變壓器就是讓我們自己提供大概的參數(shù)的范圍,之后再參考一下其它的相關得容量的電源模塊的變壓器,最后送給專門的變壓器制造廠商進行設計制作,之后匝數(shù)比確定在1:0.85。通過測試,制造的的變壓器在各個方面全部達到要求。第4章 系統(tǒng)的軟件設計4.1開關電源的軟件組成電源的系統(tǒng)軟件組成是：主程序，兩個中斷服務程序，一個子程序，它控制著PWM穩(wěn)壓電源正確的進行工作。主程序的流程圖如下所示。 圖 41 主程序流程圖運行單片機之前需要進行初始化，首先將單片機的各個端口復位，讀出上次關機前存入的數(shù)據(jù)，對開關電路進行控制，并將開關結(jié)果顯示

44、出來。當完成初始化后，打開中斷。有中斷請求則響應中斷，若無中斷請求則進行數(shù)據(jù)采集讀出給定值，接下來是數(shù)據(jù)處理，如果發(fā)生短路或者過流情況，報警保護子程序發(fā)揮作用，否則按照電壓控制算法對脈沖寬度重新設計，激勵開關電路。過熱檢測保護報警程序、鍵盤設定程序是兩個中斷服務子程序，保護報警程序是子程序。4.2 系統(tǒng)的控制算法4.2.1 數(shù)字濾波器的設計隨機干擾導致被測信號中無用成分的混入，濾波器可以把無用成分去除，信號質(zhì)量也會因此得以提高。在低頻和甚低頻時實現(xiàn)模擬濾波器是比較困難的，數(shù)字濾波器可以解決這些問題，高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性是他的三大特點，所以進行復合平均值進行濾波作用。4.2.2 數(shù)字控制器

45、的設計設計采用積分分離的PID與時間最優(yōu)控制的雙?？刂扑惴?。 PID控制保證跟蹤準確度、穩(wěn)態(tài)誤差符合規(guī)定。時間最優(yōu)控制的作用可加快調(diào)節(jié)。時間最優(yōu)控制模式為：當-= ；，為積分分離的PID模式；E1，為時間最優(yōu)控制模式。時間最優(yōu)的控制模式： 0；=， 0；=0。式中：，是第k次采樣時所得的設定值、計算機輸出值、偏差值、檢測值，；U max微機輸出的最大值，就是時間的最優(yōu)控制的偏差門限；采用可以增強抗積分飽和功能，防止超調(diào)和振蕩的積分分離式 PID 控制。 大致的控制的過程是：當開關電路輸出電壓偏差較大時，只進行 PD 調(diào)節(jié)，取消積分作用。加入積分作用，只有當偏差在某范圍內(nèi)時，此時進行PID 調(diào)節(jié)

46、。有以上的分析可導出控制方程為： 拭中：=-；=-是積分作用門限值，根據(jù)控制精度在調(diào)試時最后確定其值。，分別為控制器的積分、微分、比例系數(shù)；4.3中斷程序中斷的任務是完成過流保護，它能夠在這里實現(xiàn)每個報警以及保護的要求。這時候假如將其中的任一個標志位置為1，那樣的話就是鍵盤存在輸入，這樣鍵盤碼能夠被給予變化的數(shù)字量同時被計算機讀入。我們能夠?qū)崿F(xiàn)各項操作的根據(jù)是在各個應用程序以及主程序中得到的變量的大小還有標志位的大小，最終我們還要進行標志位的清0工作。 圖4-2 中斷服務程序流程圖4.4鍵盤顯示程序也就是說查詢每一個按鍵實行。也不會存在著鍵按置1的情況時，并且任然會顯示出提示符；當然其被置0時

47、，這就是它就會自動進行鍵功能進行軟件控制。通常情況下，一旦當給系統(tǒng)通電以后，正常顯示，然后隨時做好按鍵操作控制的準備。 4.5穩(wěn)壓控制設AT89C51中的R0用來存放基準電壓數(shù)據(jù),程序流程如圖4-3。設R0中數(shù)據(jù)為00110010B（5V），則P1=11001101B（R0取反），如U0升高(5V),則穩(wěn)壓過程如下: U0P0(A)-(R0)0P1UAUD占空比U0本系統(tǒng)共設2個電壓調(diào)節(jié)鍵:+1V、-1V、；2個電壓預置鍵：5V、12V。按鍵采用INT1中斷工作方式，其程序流程圖如圖4-4。 圖4-3 程序流程圖 圖4-4 INT1中斷工作方式流程圖4.6系統(tǒng)誤差分析系統(tǒng)的主要誤差如下：（1）

48、 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的量化誤差：數(shù)模轉(zhuǎn)換器為8位，滿量程量化誤差是： (5-1)相對誤差為： (5-2)（2） 基準電壓溫漂帶來誤差：0至40度區(qū)間內(nèi)漂移小于4Mv，所以相對誤差第5章 擴展電路5.1抑制紋波由于這次對紋波的要求很高，相對于整個系統(tǒng)來說，負載波動、數(shù)字調(diào)節(jié)引起的過沖噪聲、以及過頻干擾是導致紋波的主因。第二個原因是數(shù)控系統(tǒng)無法避免的，因此我首先著手提升負載容量以及降低工頻干擾。電源變壓器會導致工頻干擾，因此抑制工頻干擾有效地方法是數(shù)字濾波，鑒于此整個電源系統(tǒng)都進行濾波。5.2 過流保護穩(wěn)壓電源設計中一般會包括保護電路的設計。當負載電流超過設定值時，或者是發(fā)生短路時，為了保護電源過流保護在

49、系統(tǒng)中占有重要地位，在設計的電源系統(tǒng)中使用三層過電流保護 ，一種是在系統(tǒng)中加入熔斷式保險管，系統(tǒng)中出現(xiàn)短路以及其他故障時立即切斷外部電源，依次保護電源系統(tǒng)不受破壞，一種是在觸發(fā)器的軟啟動級放置熔斷性的保險管，放置啟動的浪涌電流過大導致破壞電源的功率器件，一種是通過對電流的測試以及檢測來調(diào)節(jié)PWM的脈沖寬度值滿足電流保護的要求。保護電路的形式有以下三種。（1）切斷式保護切斷式過流保護原理圖如下所示。圖 51 切斷式過流保護原理圖電流檢測電路監(jiān)測電流信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成相應的控制信號，再通過比較放大電路比較，一旦通過電流超過設定值，信號電壓值大于比較電壓值電路會輸出故障信號。從而使得控制電路失效

50、，電源的輸出也會立馬切斷。（2）限流式保護限流保護的原理圖如下所示：圖 52 限流保護原理圖限流式保護與切斷式保護的區(qū)別在于電壓比較電路的輸出值不是讓全部電路失去控制作用，而是代替誤差放大器控制V/W電路的輸出脈沖值。只有負載電流達到系統(tǒng)設定值時，保護電路才開始工作，結(jié)果是V/W控制電路脈寬輸出變窄，這樣的穩(wěn)壓電源的輸出電壓也會下降一些，就可以維持電壓在一定范圍之內(nèi)。(3) 限流切斷式電流保護限流切斷式保護分兩個層次實施，當負載電流達到某個設定值時，電源的保護電路就會動作，輸出地電壓值也會下降，負載電流也會受到限制，假如負載電流達到第二個設定值時保護電路會繼續(xù)動作，將電源切斷。5.3過電壓欠電

51、壓保護保護相關的負載，穩(wěn)壓電源要設計出輸出過電壓和欠電壓相關電路他，他們的原理圖如下所示。 圖 53 過欠電壓保護原理圖結(jié)論 本文是在孫南海老師的指導下完成的，論文的任務就是設計一種實用的穩(wěn)壓電源，經(jīng)過湊集資料以及對電源基本原理的理解，以及對電源結(jié)構(gòu)的仔細分析，設計一種體積更小、重量更輕、效率更高、更加可靠地穩(wěn)壓電源，經(jīng)過反復的討論與驗證本文完成了系統(tǒng)的大致設計，以及各模塊的設計、繪圖工作，主電路可以帶負載工作，控制電路的設計也搞定啦，為電源的研究提供了可行的方案，在本人的論文中第一章詳細介紹了穩(wěn)壓電源技術的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，接著論述了電源的工作原理與以及工作方式，然后是根據(jù)集成電路規(guī)劃了系統(tǒng)電

52、路，對電路的一般原理進行詳細的分析最后設計了相關的保護電路以及輔助電源，由于時間比較緊張，再加上任務比較繁瑣本人未能完成電源的后續(xù)工作以及相關電路的設計，針對子模塊的功能的設計與仿真也不太完善。我的論文中必定存在不滿意的地方這也需要繼續(xù)改進，懇請老師給予相關的指導。您的指導就是我前進和努力地方向。本人的論文設計了PWM穩(wěn)壓電源的控制電路，詳細對每一個電源電路的結(jié)構(gòu)進行設計。每一個PWM控制電路除去核心部分的AT89C51單片機，還應該包括驅(qū)動電路、振蕩器電路、保護電路等。我覺得以后大家要投入大量的時間以及精力來研制和開發(fā)更完整的PWM開關電源。為自己國家的電源事業(yè)做出貢獻。謝 辭 當我進行畢業(yè)

53、設計的時候,指導老師孫南海教授在構(gòu)思、規(guī)劃等方面給予本人耐心的輔導,同時在職業(yè)規(guī)劃、生活等另外的方面給予了親切的指導。孫南海教授淵博的知識、一絲不茍的治學要求,銳意進取的探索精神,讓我非常敬仰;同時將科研工作和工業(yè)實踐過程緊密結(jié)合起來的工作方式使我收獲很多,我的每一點進步都包含著他的辛苦努力,在這里向?qū)O南海教授致以由衷的謝意!在洛陽理工學院實驗室完成相關實驗過程中,實驗室韓老師、李老師給予本人很大的幫助,向我開放了方便的實驗環(huán)境,精良的實驗設備;同組的彭同學、劉同學、何同學和我共同進步,在實驗上提供最好的關心以及鼓勵,在這里也要向他們表示最真誠的感謝。同時謝謝電工電子實驗室里每一個同學、老師對

54、我的關懷和鼓舞,可以在如此一個積極向上得和諧團隊中進步,我非常幸運。當我遇到難題時,大家都會認真的幫忙。在此向他們表示深深地感謝;尤其是呂志宇室友,在實驗室與我一同進步、向我毫無保留的傳授技術和經(jīng)驗,這構(gòu)成我論文能夠完成的重要支撐,這里向他表示最真誠的感謝。感恩我的爸媽,爸媽無私的支持著我的學習,正因為有了他們,才有了今天我的成績。父母永遠是最可愛的人。參考文獻1阮新波,嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術M.北京:科學出版社,20002劉勝利.現(xiàn)代高頻開關電源實用技術M.北京:電子工業(yè)出版社,20013胡斌.電子線路快速識圖M,中國電力出版社，20054曲學基, 王增福, 曲敬鎧 .穩(wěn)定電源電路設計手冊M，中國電力出版社，20035周志敏, 周紀海.開關電源實用技術設計與應用M，電子工業(yè)出版社，20036張占松，蔡宣三 .開關電源的原理與設計（修