开关电源设计毕业论文(电子类).doc

毕业设计（论文）课题:开关电源学生: 系部: 电子信息系班级: 学号: 指导教师: 装订交卷日期: 20110425 开关电源设计摘要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。关键词：开关电源；MOSFET；三极管；PID目 录1 前言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142.3.2方案252.3.3方案352.3.4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311 前言 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(Pulse Width Modulation)。 （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（Pulse Frequency modulation）。 （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。2 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（Switching Power Supply）。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<Vs时，单片机修改脉宽使导通时间变长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压。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%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，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，这些脉冲的宽度即随着误差信号的变化而变化，这就是电压控制型PWM控制原理。本次设计采用的是单片机进行PWM控制，用软件实现反馈电压和设定电压的比较，根据误差值，通过PID算法处理，修改控制脉冲占空比，控制电源输出一系列脉冲。但是电源中的电流总是会流过电感的，对于电压信号将有90度的相位延迟，对于整个稳压系统来说，实际上需要不断调节是输入电流，以摄影输入电压和负载变化从而保持输出电压稳定的要求。这种采样输出电压的方法实现控制，响应的速度较慢、稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，造成功率开关管的损坏。2.5.2 电流型控制技术针对电压型控制的不足，可以采用电流型控制技术，它是在电压控制型的基础上，增加电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立的变量， 电流型开关电源变换器是一个双环控制系统，内环为电流控制环，外环为电压控制环。当开关管导通时，流经电阻的电流与流过输出滤波电感的电流成正比。从输出采样的电压信号加到误差放大器的反向输入端，正相输入端为基准电压，其误差经放大后的电压加到PWM比较器的反向端，当加在比较器正相端的正比于的电流取样信号（三角波，其频率决定开关频率）升到时，比较器输出端输出一个正脉冲加至锁存器的复位端，锁存器的反向端输出便使得开关管截止。当发生变化导致变化时，或变化导致变化时，便使比较器输出脉冲相对于时钟脉冲在时间上提前或滞后，从而改变开关管的占空比实现PWM 控制，达到稳压的目的。因此，变换器的内环是一个恒流源。2.5.3电流控制型技术的优势与电压型控制相比，电流型控制有以下优势：（1）对输入电压变化的响应快；电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。对于电压型控制，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变化后，才会进行处理，所以响应速度慢。（2）过流保护；由于采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测输出和开关管电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件，这样设计电路时就不需要考虑留什么余量，能节省一些成本。（3）回路稳定性好，负载响应快；电流型控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的，这样电感的相位延迟就不存在了。2.6 开关变换器结构分析与选择 开关电源的核心是高频开关变换电路和脉冲控制电路。高频变换电路把直流输入变换成高频脉冲输出。输出电压平均值,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（）与截止时间（），达到控制输出电压目的。隔离电路采用高频变换器件和高频隔离变压器。开关电源的四中组态为：（1）Buck变换器；（2）Boost变换器；（3）Buck-Boost变换器；（4）CUK变换器。2.6.1降压变换电路分析这种开关型电源是直流供电，经过开关电路得到单方向方波，再经过滤波后又得到与输入电压不同的稳定的直流。它们的输出电压总是比输入电压低。当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关元件被控制截止时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时，续流二极管正向导通，构成闭合回路。电容起到平滑输出的作用。电路中开关管和负载电阻是串联的，所以也称它为串联开关电源。 图2.3 Buck变换器当开关管导通时，电感上的电流处于最小值，此后电感电流开始上升，但电流仍低于负载电流Io，于是电容仍向负载供电，因此输出电压下降。当电感电流上升到等于Io时，电容停止向负载供电，此时输出电压达到最小值。随着电感电流的继续上升，电容开始充电，从最低值开始上升。当开关管截止时，电感上电流处于最大，此后电感上电流开始下降，但电流仍比Io大，所以电容仍处于充电状态，输出电压继续上升。当电感电流下降到Io时，电容停止充电，此时电容上电压达到最大值。随着电感电流的下降，电容开始放电，由最大值逐渐开始下降。假设开关管的导通时间为,截止时间为,并且开关管和电感为理想元件，则,其中为开关的脉冲占空比。若开关管一直处于导通状态，截止时间为零，则；若开关管一直截止，导通时间为零，则，随着与的比例不同，输出电压为0之间的各种值。下面具体分析该电路的工作过程：开关管导通时，发射极上的电压为 (1)式为开关管饱和压降，为输入电压，那么电感电压为,为电感电流，则在经历以后，开关管截止，此时电感电流最大，电流值为 （2）式在这一瞬间，电感储能为： ，输入电压通过电感对电容充电，充电的电量为 （3）式在此期间，输入给电路提供的能量为 （4）式（4）式经过变换得：/即是电感中储存的磁能和电容储存的电能。可见，输入电能完全转换为电路的能量，效率很高，正是开关电源的优势所在。当开关管截止后，电感电流不能突变，电感产生感应电势，使得续流二极管导通，电感通过电路向负载释放能量，设二极管正向导通压降为，根据电路知识，可知电感上的电压与输出电压、二极管压降之间有这样的关系：电感电流将从最大值一直减少为0，电感所储存的磁能将转化为电源的电能，假设磁能完全转换为电能，那么可以通过下面的式子算出电感电流由最大值减为0的时间， (5)式开关管截止期间电容的充电量为 （6）式续流二极管的作用是使电感电流在开关管截止时能连续变化，这样电感存储的能量才能够转化为电容中储存的电能。由此可见，如果要控制信号的每一个脉冲都能完全的工作，应有，也就是让电感在导通期间存储的能量，能在时间内，完全释放给电路。根据能量守恒定理，电感中的磁能转化为电能，对电容再次充电，那么输入电能应等于导通时电容所充电能加上电感的磁能，即 （7）式代入（4）式得 （8）式可见，当导通时间越大或者脉冲周期越小，输出电流越大，当需要提高电源输出功率时，可以提高开关管的工作频率。2.6.2升压型变换电路升压式开关电源的输出电压总是高于输入电压Ui，并且极性是相同的。当开关管饱和导通时，电感进行储能。当开关管截止，电感中的电能通过续流二极管供给负载，同时对电容C充电。当负载电压下降时，电容再次放电，这时可获得高于输入的稳定电压。由于开关管和负载是并联的，也称它为并联开关电源。2.6.3Buck-Boost型变换器极性变换式电源输出电压与输入电压极性是相反的，输出电压的绝对值还要高于输入电压的绝对值，否则将和降压式开关电源混淆，由此可见，极性变换式开关电源是上述降压式和升压式电源的综合。当开关管导通时，输入电压加在电感上，产生电流，电感进行储能，二极管反向截止。晶体管截止时，电感上电流逐渐减小，感应电动势使二极管导通，给电容充电，电容上的电压与输入电压极性相反。当负载上的电压要跌落时，电容再次给负载放电，这时可使输出电压高于输入电压。这4种开关电路有各自的特点，本次设计任务要求电源在3到12伏内可调，而输入电压为14.4V，所以采用降压型开关变换电路，即Buck变换器，通过调制输出占空比为0到90%的一系列脉冲，使电源在要求范围内可调。2.7 开关电路器件参数选择2.7.1功率开关管的选择 开关管是整个电源主要的工作器件，正确的选用，是电源成功制作的前提。首先，开关管的截止时间不宜过长，假如截止时间过长，当开关管的上一个控制脉冲已经结束，而下一个控制脉冲已经到来时，会造成开关管还没有完全关断，马上就进入下一个导通周期，这样开关管几乎是一直在导通，开关完全失去控制，功耗和输出电压会迅速增加，造成电源的损坏。其次，开关的导通时间也不宜过长。当开关频率较高时，开关管导通和截止的频率频繁，导通时间长，意味着开关管有更多的时间是在放大状态下工作（开关导通后是利用晶体管的放大作用而工作的），这样开关管的功耗就会迅速增加，电源的效率将大为下降。本论文中电源工作频率为25千赫兹，根据设计前辈们的经验，功率开关管的导通时间不宜超过1.5，截止时间不宜超过1。在开关管导通时，负载电流以及滤波电容的充电电流均通过开关管提供，因此，开关管的集电极电流必须大于输出的负载电流，集电极电流的计算如下：电感电流的平均值等于负载电流，则有，流过开关管的电流平均值为，忽略开关管导通压降，有，整理方程消去得到 （9）式流过开关管的最大电流应等于电感电流的最大值，则 ，额定输出电流为，算出集电极电流小于在开关管截止时，电源的全部输入电压都加在开关管的集电极和发射极两端。所以其耐压值就必须大于集电极的输入电压，同样考虑到电网波动和开关瞬间滤波电感所产生的浪涌电压，取其耐压值为输入电压的2倍。输入电压为14.4，则开关管耐压应大于2，根据数据手册，选择的晶体管型号为D882，耐压值40V，集电极电流3A，功率10W。2.7.2 滤波电容的选择电容的滤波原理是：利用电容在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压变得比较平滑。滤波一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。滤波电容决定输出电压的纹波，电源通电后，电容器充电，电压值迅速上升到最大值，由于电感电流仍小于输出电流，电容向负载放电，电压下降，产生纹波，在一个脉冲周期中，电容所释放的电量为，设纹波电压峰峰值为，则有 （10）式任务要求为脉冲频率为25千赫兹，即周期为，取电容量为470的铝电解电容。2.7.3储能电感的选择开关管饱和导通时，其饱和压降可以忽略，则电感感应电动势为 （11）式 （12）式电感电流变化量和负载电流的变化量相等，为了使电感电流在负载电流最小时，仍保持连续，取，为负载最小电流。代入式（11）得 ，根据 ，则电感的计算为 （13）式负载电流最小值为0.5安，代入公式，算得电感量为76.8,取电感量为100，电感量越大，储能就越大，因为是在高频下工作，电感选用磁铁心电感，为防止电感饱和，选择饱和电流为2A。2.7.4续流二极管的选择根据变换器的工作原理，开关截止时，续流二极管导通，电感的磁能转换为电能，二极管起到续流的作用，二极管正向额定电流须大于负载电流，其耐压值必须大于输入电压，同时为了使二极管的截止到导通的转换时间尽量的短，选择超快恢复二极管，根据本次设计的要求，选择电流大于耐压大于30的肖特基二极管。3 硬件电路设计3.1 电源电路设计开关电源设计包括输入整流滤波电路、开关变换电路、输出整流滤波电路、采样电路，保护电路。3.1.1整流滤波电路市电经过变压器降压后，变为12v，对该电压整流后一部分电压直接作为开关变换电路的输入电压，另外将其通过7805得到5v的电压，给开关电源控制电路部分的单片机提供工作电源。电路中采用发光二极管作为电源指示灯，交流220v降压后经过整流桥整流输出直流电压作为开关变换电路的输入电压，7805稳压输出5v给单片机提供电源。图3.1整流滤波电路3.1.2开关变换电路功率开关管采用达林顿管，由于它采用两个三极管进行级联，其放大倍数是两个管子放大倍数的乘积，因而具有很高的放大倍数，通过级联，可获取大的电流输出，对于提高电源的输出功率，有一定的作用。该开关管选择为PNP型，当控制脉冲的低电平时，开关导通，电感存储能量，开关把电路的输入电压变成高频脉冲，当控制脉冲为高电平时，开关截止，电感把所存储的能量释放给负载。为了确保电感电流能在开关转换过程中保持连续，选用肖特基二极管作为续流二极管选用，这种二极管具有较快的导通截止恢复时间，在开关导通变为截止时，能够很快的由截止转换到导通，所以能够确保电感电流连续。为了减少纹波电压，输出端的滤波电容选用低串联等效电阻的优质电容，另外，可以通过并联两个电容来获得低的等效串联电阻，假设输出滤波电容选择为470UF，则可以取大于该数值一半多的电容量的电容来并联，例如，可以取两个250UF的电容，来并联。图3.2 开关电路与输出整流滤波电路3.1.3分压电阻的计算开关控制电路是根据输出的变化对开关电路进行控制的，因此需要设计分压器，通过反馈可以使输出电压保持稳定。反馈分压电阻的确定：设检测电流为1mA，模数转换器的基准电压为5v，输出电压12v，分压器的下臂电阻这样计算：R2=5v/0.001A=5千欧姆，考虑到电阻有一定的误差，假设电阻为1%的误差，即5千欧姆的电阻，其电阻值为4.99千欧姆，则实际的检测电流就可以计算出来：Is=5v/4.99k=1.002mA,这样分压器上臂电阻为：R1=（12-5）/1.002mA=6.99k。这样分压器设计完成，在这里选用串行模数转换器ADC0832来采集电压，并反馈到单片机，该转换器的基准电压和它的电压一样，均为正5伏。3.1.4保护电路如图3.3所示，在实际应用中常常会出现因为一时疏忽或误操作而导致的烧坏芯片情况，因此设计一个优秀的产品，应该具有良好的保护功能，过压保护是一个很好的选择，在这次设计中，考虑到成本问题，采用过电流保护。其原工作理为：在电源输出端，设置负载电流检测电阻R0，通过R0将负载电流Io变成过流检测电压,三极管作为过流控制管，当开关电源负载电流时，过流控制三极管导通，电源输出电压由过流控制管集电极输出，触发晶闸管导通，将开关电源负载短路，实现保护。该电路有自锁功能，一旦负载电流增大的持续时间超过C1的充电时间，电路触发后，即使负载电流恢复正常，也不能解除保护状态，必须关断电源，排除过流因素，晶闸管才能复位。电路中Ro阻值的选择根据负载电流保护阈值而定，一般Ro取电阻值极小，在开关电源正常负载电流时其压降不足0.3v。R1和C1构成保护启动延时电路，以免开机瞬间负载电流冲击造成误动作。下图中，电感和输出端电容之间的部分是保护电路。图3.3 过流保护电路3.2 控制电路设计 控制电路采用89c51，该芯片有32个可编程的I/O口，在此介绍需要用到的单片机管脚功能。 RST：复位输入，当振荡工作时，RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不用访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或定时目的。需要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。EA/VPP：外部访问允许。当访问外部存储器时，EA必须保持低电平。访问内部存储器时，EA端接高电平。振荡电路本次设计采用的是石英振荡电路，外接电容C1、C2的容量的大小的取值会影响振荡频率的高低、振荡器的工作稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用陶瓷振荡器，应选择容量为3050PF，对于石英晶体，选择2040PF，这里我们选择电容为22PF，晶振为24M赫兹。复位电路单片机复位电路有上电复位，按扭脉冲复位，按扭电平复位。上电复位是利用器充电实现。电阻取1k，电容取22uf。本次设计在调试过程中使用的是89S51，该单片机与MCS51系列完全兼容，工作频率0到33M赫兹，支持系统编程，只需要从电脑引出几根线即可。该烧写器电路及用户界面，均可以从网上获取。3.2.1反馈电路设计 反馈电路使用ADC0832采样输出电压，该器件只能转换0到5伏的电压，超过了会烧毁芯片，当要采