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1、畢業(yè)設計（論文） 課題:開關電源 學生: 系部: 電子信息系 班級: 學號: 指導教師: 裝訂交卷日期: 20110425 裝訂順序: （1）封面（2）畢業(yè)設計（論文）成績評定記錄（3）標題、中文摘要及 關鍵詞（4）正文（5）附錄（6）參考文獻 畢業(yè)設計（論文）成績評定記錄表 注：1.此表適用于參加畢業(yè)答辯學生的畢業(yè)設計（論文）成績評定； 2.平時成績占 20%、卷面評閱成績占 50%、答辯成績占 30%，在上面的評分表中，可 分別按 20 分、50 分、30 分來量化評分，三項相加所得總分即為總評成績，總評成績請轉(zhuǎn) 換為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五等級計分。 教務處制 指導教師評語（包含
2、學生在畢業(yè)實習期間的表現(xiàn)）: 成績（平時成績）: 指導教師簽名： 年 月 日 評閱教師評語： 成績（評閱成績）: 評閱教師簽名： 年 月 日 答辯情況記錄: 答辯成績: 答辯委員會主任(或答辯教師小組組長)簽名: 年 月 日 總評成績: 畢業(yè)設計（論文）成績評定記錄表 注：1.此表適用于不參加畢業(yè)答辯學生的畢業(yè)設計（論文）成績評定； 2.平時成績占 40%、卷面評閱成績占 60%，在上面的評分表中，可分別按 40 分、60 分來量化評分，二項相加所得總分即為總評成績，總評成績請轉(zhuǎn)換為優(yōu)秀、良好、中等、 及格、不及格五等級計分。 教務處 指導教師評語（包含學生在畢業(yè)實習期間的表現(xiàn)）: 成績（平時
3、成績）: 指導教師簽名： 年 月 日 評閱教師評語： 成績（評閱成績）: 評閱教師簽名： 年 月 日 總評成績: 開關電源設計 摘要 開關電源是利用現(xiàn)代電子電力技術控制功率開關管（MOSFET；三 極管）的導通和關斷的時間比來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。 它是在電子、計算機、通信、電氣、航空航天、軍事以及家電等領域 應用非常廣泛的一種電力電子裝置。具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、 重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點。 本文中研究的單片機控制開關電源，可以通過鍵盤預置期望輸出 電壓值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進行采樣，由軟件控制單片機輸出 相應的脈沖寬度，對開關電源進行脈寬調(diào)制，輸出預期的電壓。并
4、采 用 PID 算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構成可輸出 3v 到 12v 的可調(diào)電壓， 并顯示實時電壓和預置值，通過鍵盤可隨時修改 PID 參數(shù)以優(yōu)化控制 效果，并該系統(tǒng)可以給芯片提供工作電壓，加以擴展可構成輸出正負 3 到 12 伏的雙極性電源。 單片機控制的開關電源具有設計彈性好的優(yōu)點，可以按照設計者 的思想靈活的工作。目前電子設備的日益小型化需要供電電源的小型 化，這樣制作小型化電源是未來電源制作的一個趨勢，傳統(tǒng)開關電源 線路一般很復雜體積也較大，如果使用的單片機作為控制核心必將可 以大大簡化電源的結構，制作更加小的電源將成為可能，并且使用單 片機可以擴展許多功能，如顯示，實時控制調(diào)整電壓，可
5、維護性強， 由于目前國內(nèi)有專門的 PWM 輸出的單片機價格昂貴，普通的單片機 I/O 口模擬的脈寬頻率較低，速度較慢，遠遠達不到現(xiàn)代電源要求的 工作頻率，所以目前單片機控制的電源使用并不廣泛，但是單片機在 智能化以及可實現(xiàn)的用戶友好界面，擴展性強等等方面的優(yōu)勢使其成 為未來電源重要的發(fā)展方向。因此，我們研究單片機控制的開關電源， 非常有現(xiàn)實意義。 關鍵詞：開關電源；MOSFET；三極管；PID 目 錄 1 前言 1 1.1 課題來源及意義.2 1.2 課題基本要求.2 1.3 課題相關背景.2 2 開關電源方案設計 3 2.1 開關電源工作原理.3 2.2 開關電源與線性電源的比較.4 2.3
6、 方案論證.4 2.3.1 方案 1.4 2.3.2 方案 2.5 2.3.3 方案 3.5 2.3.4 方案分析5 2.3.5 總體結構設計5 2.4 難點分析.6 2.4.1 如何提高電源工作頻率6 2.4.2 儲能電感的繞制7 2.4.3 標度轉(zhuǎn)換技術7 2.5 控制技術選擇.8 2.6 開關變換器結構分析與選擇.9 2.7 開關電路器件參數(shù)選擇.12 2.7.1 功率開關管的選擇12 2.7.2 濾波電容的選擇.13 2.7.3 儲能電感的選擇13 2.7.4 續(xù)流二極管的選擇14 3 硬件電路設計14 3.1 電源電路設計.14 3.1.1 整流濾波電路14 3.1.2 開關變換電路
7、14 3.1.3 分壓電阻的計算15 3.1.4 保護電路15 3.2 控制電路設計.16 3.2.1 反饋電路設計17 3.2.2 四位數(shù)碼顯示電路設計18 3.2.3 單片機與鍵盤接口電路設計19 4 軟件設計 .19 4.1 總體編程思想.20 4.1.1 鍵盤防抖動子程序20 4.1.2 數(shù)碼顯示子程序21 4.1.3 采樣子程序22 4.1.4 中斷處理程序設計23 4.1.5PID 控制算法 .24 4.1.6 數(shù)字濾波24 5 系統(tǒng)調(diào)試 .25 5.1 硬件模塊調(diào)試.25 5.1.1 整流濾波電路的調(diào)試25 5.1.2AD 轉(zhuǎn)換的調(diào)試 25 5.1.3 脈沖輸出電路的調(diào)試25 5
8、.1.4 功率開關管的調(diào)試26 5.2 電源性能指標的測試.26 5.2.1 開關電源的技術指標26 5.2.2 輸出電壓的測試27 5.2.3 最大輸出電流的測試28 5.2.4 過流保護的測試28 5.2.5 電壓調(diào)整率的測試28 5.2.6 紋波電壓的測試29 6 結論 29 謝辭 .29 參考文獻 30 附錄 .31 1 前言 1.1 課題來源及意義 電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現(xiàn)代 電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的 發(fā)展，電源技術又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技 術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步發(fā)展成為一門多學
9、科互 相滲透的綜合性技術學科。他對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè) 自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質(zhì)量、高效率、高可 靠性的電源起著關鍵作用。 -當代許多高新技術均與市電的電壓、電流、頻率、相位、和波形 等基本參數(shù)的變換和控制相關，電源技術能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確 控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而 為多項高新技術的發(fā)展提供有力的支持。因此，電源技術不但本身是 一項高新技術，而且還是其他多項高新技術的發(fā)展基礎。電源技術及 其產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高 生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠的影響。 -電源，如
10、今已經(jīng)是非常重要的基礎科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到高 尖端的科技，都離不開電源技術的參與和支持，電源技術也正是在這 種環(huán)境中不斷的發(fā)展起來的。 電源的重要性不可否認，但是傳統(tǒng)電源存在不足的地方，例如， 傳統(tǒng)電源效率不高，線性電源由于功率管是工作在線性放大狀態(tài)，功 率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當輸出電流越大時，功耗就 越大。通常，線性電源效率只有 45%到 50%左右，因此提高電源效率 是未來電源設計，應著重解決的問題，而開關電源能夠很好的解決這 個問題，開關電源的功率開關管是工作在開關狀態(tài)的，也就是，只是 在開關管導通時，管子才會產(chǎn)生損耗，因此開關電源的效率比線性電 源要高得多，通?？梢赃_
11、到 80%以上，本設計選擇開關電源作為研究 對象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關系，假定輸入基本 穩(wěn)定，利用單片機控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過 A/D 轉(zhuǎn)換， 采樣輸出電壓，使用數(shù)碼管顯示，通過鍵盤預置電壓，實現(xiàn)可調(diào)開關 電源的制作。 1.2 課題基本要求 （1）設計、制作開關電源； （2）使用單片機構成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤預置輸入電壓，可 顯示預置電壓和輸出電壓； （3）掌握開關電源的設計方法； （4）掌握單片機軟件編程方法； （5）掌握 PID 控制原理； 1.3 課題相關背景 我國的三極管直流變換器及開關電源的研制工作開始于 60 年代初 期，到了 60 年代中期進入
12、了實用階段，緊跟著 70 年代初開始研制無 工頻變壓器開關電源。1974 年研制成功了工作頻率為 10 千赫茲、輸 出電壓為 5v 的無工頻開關電源。近 30 年來，許多研究所、工廠及高 校已研制出多種型號的開關電源，并廣泛的應用于電子計算機、通信、 家電等許多方面，取得了很好的效果。工作頻率為 100 千赫茲-200 千赫茲的高頻開關電源于 80 年代初期開始研制，90 年代初試制成功， 目前已經(jīng)是非常成熟的電子產(chǎn)品。按調(diào)制方式劃分可以分為： （1）脈寬調(diào)制型：振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖的寬度來改 變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。通過采樣電路、耦合電路構成閉合回路， 來穩(wěn)定輸出電壓?？s寫為 PW
13、M(Pulse Width Modulation)。 （2）頻率調(diào)制型：占空比保持不變或關斷時間不變，改變振蕩器 的頻率來穩(wěn)定并調(diào)節(jié)輸出電壓幅度?？s寫為 PFM（Pulse Frequency modulation） 。 （3）混合調(diào)制型：通過調(diào)節(jié)導通時間的振蕩頻率來完成穩(wěn)定并輸 出電壓幅度。 通常采用的是脈寬調(diào)制型和混合調(diào)制型兩種調(diào)制方式。在脈寬調(diào) 制中因為頻率不變，所以無論是對電路中的磁性元件及晶體管的測試 和設計都很方便，而且對射頻干擾的抑制也變得比較容易?；旌险{(diào)制 則因其線路簡單，也得到了廣泛的應用。相對而言，頻率調(diào)制較少采 用。本文中采用的是脈寬調(diào)制型。 2 開關電源方案設計 2.1
14、 開關電源工作原理 開關電源是指調(diào)整管工作在開關方式，即導通和截止狀態(tài)的穩(wěn)壓電源， 縮寫為 SPS（Switching Power Supply）。開關電源的核心部分是一個直流變 換器。利用直流變換器可以把一種直流電壓變成極性、數(shù)值不同的多種直流 電壓。 圖 2.1 所示電路的工作過程為：假設基準電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動導致 輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會減少，此時，所采樣的電壓將減小，假 設為 4.9v，誤差為 0.1v，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個誤差，提 高占空比使輸出電壓增大，同理，當由于電網(wǎng)波動導致輸出電壓增大時，脈 沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓
15、的穩(wěn)定。 整流 濾波 電路 開關管 濾波電路 采樣電路比較放大脈沖調(diào)寬 輸出 輸入 基準電壓 圖 2.1 開關電源原理框圖 按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關電源與線性 電源兩大類。 線性電源是發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。 開關電源是在線性電源的基礎之上發(fā)展起來的，并在很大程度上克服了線 性電源的缺陷，但其自身也有一定的不足。 2.2 開關電源與線性電源的比較 2.2.1 線性電源的缺點 （1）功耗大，效率低，效率一般只有 35%-45%；（2）體積大、重量大，不能小 型化；（3）必須有較大容量的濾波電容。 造成這些缺點的原因是：（1）線性電源中功率晶體管 V
16、 在整個工作過程 中，一直工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。功率晶體管本身的功耗與輸 出電流成正比。這樣功率晶體管的功耗就會隨電源的輸出功率的增加而增 大。為了保 證功率晶體管能正常工作，除選用功率大的管子外，還必須給管 子加上較大的散熱片。 （2）線性電源使用了 50 赫茲的工頻變壓器，他的效率 只有 80%-90%。這樣不但增加了 電源的體積 和重量，而且也大大降低了電 源的效率，就必須增大濾波電容的容量。 2.2.2 開關電源的優(yōu)點 （1）功耗小，效率高。圖 2.1 中，開關管 V 在脈沖信號的控制下，交替工作在 導通-截止和截止- 導通的開關狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在 50 到 20
17、0 千 赫茲。這就使得功率開關管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效 率可以達到 80%以上。 （2）體積小，重量輕。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關管上的 耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關電源的體積和重量 都可以得到減小。 （3）穩(wěn)壓范圍寬。開關電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號 的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進行補償。在工 頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負載有較大變化時，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出 電壓，所以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓效果好。 （4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。例如，若開 關電源的工作頻率為 25 千赫茲
18、，是線性穩(wěn)壓電源頻率 500 倍（25000/50 赫 茲），這使濾波電容的容量可以相應的縮小 500 倍，這使濾波電路中元件的 體積和重量得以減少，同時也節(jié)省了成本。 2.3 方案論證 單片機控制的開關電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可 行的方案。 2.3.1 方案 1 方案 1：單片機通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個電壓，用作電源的基準電壓，電 源可以通過鍵盤預置輸出電壓，單片機不加入反饋控制，電源仍要使用專門 的 PWM 控制芯片，工作過程為：當通過鍵盤預置電壓時，單片機通過 D/A 芯片輸出一個電壓作為控制芯片的基準電壓，這個基準電壓可以使得控制 芯片按照預置電壓值，來輸出控制脈沖，以
19、輸出期望輸出電壓。 2.3.2 方案 2 方案 2：在方案 1 的基礎上，單片機擴展模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不斷的檢測電源 的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設定值的差值，調(diào)整后，通過 D/A 芯片輸 出一個基準電壓，控制專門的 PWM 控制芯片，間接的控制電源工作。 2.3.3 方案 3 方案 3：單片機擴展 A/D 轉(zhuǎn)換器，不斷檢測輸 出端的電壓，并根據(jù)電源 輸出電壓與鍵盤預置電壓的差值，輸出一個 PWM 脈沖，直接控制電源的工 作。 2.3.4 方案分析 方案 1 分析：單片機沒有加入反饋控制，只是輸出一個基準電壓，這樣 單片機的作用非常的小，而且仍要使用專門的控制芯片，價格比較貴，電源 成本增加，削弱
20、了單片機的作用，不宜采用。 方案 2 分析：單片機加入了反饋控制，作用得以利用，但是需要擴展 A/D 和 D/A 芯片，而且還是需要專門的 PWM 控制芯片，成本比方案 1 更 高，更不宜采用。 方案 3 分析：這個方案，單片機不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控 制核心，單 片機得以充分利用，而且省去了 D/A 芯片，成本大大降低，是真 正的單片機控制。 綜上所述，本設計選擇第三種控制方案，單片機使用 89C51，A/D 芯片 采用 ADC0832，采用 4 位數(shù)碼管顯示采樣值 ，鍵盤預置電壓，設計任務要求 輸出可調(diào)，所以設定值需要從鍵盤輸入，實現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以 輸出不同的電壓。
21、2.3.5 總體結構設計 系統(tǒng)工作原理圖如圖 2.2 所示：市電經(jīng)過整流濾波后，一路電壓經(jīng)過 7805 穩(wěn)壓得到一個+5v 電壓，該電壓作為單片機的工作電源，另外一路電壓 直接作為開關變換電路的輸入電壓。單片機根據(jù)鍵盤輸入值和取樣值之間 的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關管，以便得到期望的輸出電 壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用 PID 算法再次修改脈寬 使輸出電壓穩(wěn)定。開關 變換器采用磁鐵心電感作為 儲能元件，在功率開關管導通時，電感儲能，在開關管截止時，電感釋放能 量給負載。 單片機定時采樣輸出端的電壓，通過 ADC0832 送進單片機進行 處理，單
22、片機根據(jù)處理結果輸出更新的控制信號，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾 后輸出控制信號控制功率開關管工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要 從鍵盤輸入期望的電壓，單片機會根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈 寬，使電源 輸出相應電壓，更新脈寬后， 單片機會馬上調(diào)用 PID 控制算法， 對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時，電源自動進行脈寬調(diào)制，當系統(tǒng)讀取到鍵盤預置的電壓變化時， 先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設當前鍵盤輸入為 10v，從 輸出端取樣的值為 6v，差 值為 4v，則系統(tǒng)會根據(jù)這個差值，更新脈寬使得 輸出端電壓上升為 10v；同樣，當鍵盤輸入為 6v，輸出端取樣值為 10v，差值 為-
23、4v ，系統(tǒng)會根據(jù)算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統(tǒng)脈寬 調(diào)制過程。 同時，電源可以自動穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為 V0，反饋電 壓問 Vf（Vf=V0），用 戶設定 電壓為 Vs，當 V0=Vs 時，偏差為 0，單片機不進 行脈寬更新，當電網(wǎng)波動導致輸出增加時，即 V0Vs 時,單片機采樣的電壓 也增加，單片機根據(jù)偏差修改占空比使導通時間變小，從而使電壓下降，同 樣當電網(wǎng)波動使輸出電壓下降時，即 V08;TL0=tim0; PWM=PWM 4.1.5PID 控制算法 設計原理：采用單片機作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，它是由 89C51 單片機系 統(tǒng)通過 A/D 電路采集過程變量
24、V，并根據(jù)有關的算法控制變量 u，通過輸 出 PWM 控制脈沖到執(zhí)行機構，使過程變量穩(wěn)定在設定的值上。 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過 數(shù)值公式： 近似計算。)012()01()0( yykdykprkiu 其中： 為 PID 參數(shù)，y0 為本次采樣值 ，y1 為上次采樣值，y2 為di, 上兩次采樣值。 ，r 為設定值，u 為控制量的增量。 AD 轉(zhuǎn)換采樣的電壓轉(zhuǎn)換為 0 到 255 之間的數(shù)字量，設定的值要轉(zhuǎn)換為 對應的數(shù)字量，本電源在 3 到 12 伏可調(diào)，那么需要把 0 到 12 伏轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換公式為 12*255/12=255，即 255 對應 12V，經(jīng)轉(zhuǎn)換以后
25、就可以相互比較。 開關調(diào)整 電路 89C51 單片機 A/D 轉(zhuǎn)換 器 圖 4.4 單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 4.1.6 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波就是把 n 組采樣值相加，然后取其算術平均值作為本次有效的 采樣信號，即： y n =1/n e（j） 數(shù)字濾波適用于有隨機干擾的信號的濾波，適合于信號本身在某一數(shù)值范 圍附近上下波動的情況。由于隨機干擾信號在很多情況下可近似認為是統(tǒng) 計平均值為零的白噪聲，因此采用求平均值的方法可以消除隨機干擾，實現(xiàn) 對采樣信號的平滑加工。但數(shù)字濾波可提高平滑度，但系統(tǒng)的靈敏度隨之降 低。采樣次數(shù) n 的取值隨被控對象的不同而不同。對于 PID 差值，同樣是采 用取平均值的
26、方式處理。 本采樣程序中，數(shù)字濾波算法為： n+;/采樣次數(shù)值 =ADC0832();/采樣值 adc ;/采樣值相加s if(n19) n=0; 0=s/20;/求平均值par s=0; PID 差值的濾波 u0=(u0*3+u)/4;/u 控制增量，假 設當前控制增量為 u0，則取 4 次平均值 5 系統(tǒng)調(diào)試 5.1 硬件模塊調(diào)試 5.1.1 整流濾波電路的調(diào)試 這一部分可以在面包板上模擬，將電路連接后，接通電源，先測量變壓 器的輸出，由交流檔位所測得的電壓為 12.96v，再測量整流輸出的電壓，需 要注意將整流橋正確的連接，否則會導致整流輸出電壓不正確，甚至燒壞穩(wěn) 壓塊。 檢查 沒有錯誤
27、后，再測量整流輸出電壓為 14.9v，和理論值相近，同時 所測量穩(wěn)壓塊輸出為 5.10v，電路正常工作，可以給單片機供電。 5.1.2AD 轉(zhuǎn)換的調(diào)試 通過穩(wěn)壓電源給轉(zhuǎn)換器一個 5 伏電壓，改變電壓，觀察數(shù)碼管所顯示數(shù) 值可以跟隨電壓變化而變化，用萬用表測量電壓，和顯示值相比較也相近， 可見模數(shù)轉(zhuǎn)換是正常工作的。 5.1.3 脈沖輸出電路的調(diào)試 控制脈沖是直接輸入到開關管的基極的，在制板之前，用面包板模擬脈 沖信號是否可以直接控制開關管的導通和截止，若使用開關管發(fā)射極輸出 型變換電路，在發(fā)射極所輸出的脈沖信號，幅度會很小，效果不好，通常采 用集電極輸出型開關電路。將電路連接好，用示波器觀察基極
28、輸入信號和集 電極的輸出信號，觀察發(fā)現(xiàn)，輸入信號幅度較小，但是經(jīng)過開關后，在集電 極的輸出信號，幅度明顯被放大，效果比較好，說明控制脈沖可以直接控制 開關電路，信號穩(wěn)定。 5.1.4 功率開關管的調(diào)試 將已經(jīng)制作好的電路板放置好，避免和導電物體接觸造成短路，然后， 將控制信號輸入功率開關管基極，用示波器觀察，通過按鍵從鍵盤輸入不同 的預置電壓，使用示波器另一通道觀察開關管集電極輸出信號，觀察發(fā)現(xiàn)， 當鍵盤輸入不同的電壓時，輸入輸出的波形均發(fā)生變化，當預置電壓從 12v 變小時，控制脈沖的占空比也相應的變小，當預置電壓從小變大時，脈沖信 號的占空比又相應的增大，可見鍵盤能夠控制系統(tǒng)更新脈寬，并能
29、夠控制開 關管工作，這部分調(diào)試完畢。 5.2 電源性能指標的測試 開關電源的技術指標有通用事項、包括電源名稱、適用規(guī)格等，首先是 安全規(guī)格，有關開關電源都有相應的安全規(guī)格，例如，國際規(guī)格為 IEC950、IEC65；亞洲為電氣用品管理法（日本）；歐洲統(tǒng)一規(guī)格為 EN60- 950、EN60065，其中北歐的 VDE（德國），BSI（英國），SEV（瑞士）。有關 EMI 的 規(guī)格，日本為 VCCI1 類，2 類；美國為 FCCP15J A 類，B 類；德國為 VDEO871 A 類，B 類 ；國際上為 CISPRPub11、Pub12。電氣技術指標有輸入 與輸出條件附屬功能等。機械結構為外形、安
30、裝和冷卻條件等。環(huán)境條件有 溫度、濕度、振動和沖擊等。其它條件有噪聲規(guī)定、可靠性等。 5.2.1 開關電源的技術指標 （1）輸入技術指標 作為開關電源的輸入技術指標有輸入電源相數(shù)、額定輸入電壓及電壓 的變化范圍、 頻率、 輸 入電流一般為單相 2 線制和 3 相 3 線制，還有單相 3 線制及 3 相 4 線制等。輸入電源的額定電壓因各國或地區(qū)不同而異，例如， 美國規(guī)定的交流輸入電源電壓為 120V，歐洲 為 220 到 240V，日本為 100V 及 200V，我國 為 220V 及 380V。輸入電壓的 變化范圍一般為10% ，加上配 線路徑及各國的具體情況，輸入電壓的變化范圍多為-15%
31、到+10% 。 工作頻率為 50Hz 或 60Hz，在 頻率變化范圍不影響開關電源的特性時 多半為 48 到 63Hz。開關電源最大輸入電流是表示輸入電壓為下限值時，輸 出電壓及電流為上限值時的輸入電流。額定輸入電流是在輸入電壓及輸出 電壓、 電流 為額定時的電流。開關電流的平波輸入方式是電容輸入方式，有 較大的峰值電流，要有考慮電流的波峰系數(shù)以及功率因數(shù)的規(guī)定。 （2）輸出技術指標 輸出端的直流電壓的公稱值稱為額定輸出電壓，對于其公稱電壓規(guī)定 有精度與紋波系數(shù)等。 額定輸出電流是指輸出端供給負載的最大平均電流。根據(jù)電子設備的 不同，多路輸出電源中某路輸出電流增大，另路輸出電流就得減小，保持總
32、 的輸出電流不變。 穩(wěn)壓精度也稱為輸出電壓精度或電壓調(diào)整率，輸出電壓變動有多種原 因。 輸出電壓可調(diào)范圍是指在保證電壓穩(wěn)定精度條件下，由外部可能調(diào)整 的輸出電壓范圍，一般為5%或10% 。條件是 輸入電壓的下限時輸出電壓 的最大值，以及 輸入電壓的上限時輸出電壓的最小值。 紋波是與輸出端呈現(xiàn)的輸入頻率及開關變換頻率同步的分量，用峰- 峰 值表示，一般為輸出電壓的 0.5%以內(nèi)。噪聲是 輸出端呈現(xiàn)的除紋波以外頻 率的分量，也用峰-峰值表示，一般為輸出電壓 的 1%，也包括與紋波沒用明 確區(qū)分的部分，規(guī)定是紋波與噪聲的合值，多數(shù)場合是規(guī)定紋波噪聲總合的 情況，為輸 出電壓的 2%以內(nèi)。 （3）附屬
33、功能 過電 流保護 輸出短路或過負載時對電源或負載要進行保護，即為過電流保護。保護 特性有額定電流下垂特性；恒流特性；恒定功率特性，多數(shù)為下垂特性。過電 流的設定值一般為額定電流的 110%到 130%。但一般不損壞電源與負的范 圍內(nèi)，特別不規(guī)定短路保護時的電流值的情況很多。一般為自動恢復型。 開關電源的技術指標包括：特性指標和質(zhì)量指標。特性指標包括輸出電 壓、 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出電流、最大 輸出 電流；質(zhì)量指標則包括紋波電 壓、 輸出電壓調(diào)整率等。 5.2.2 輸出電壓的測試 測試時，先將負載電阻 RL 斷開，用萬用表測量電源的輸出電壓 Vo，從 鍵盤預置不同的電壓值，一一測量，并和數(shù)碼
34、管顯示值相比較，若測量結果 顯示，輸出 電壓可以跟隨鍵盤輸入的變化而變化，同時數(shù)碼管顯示值也發(fā)生 變化，并且與測量結果相近，則電路是正常工作的。假如檢查過程中發(fā)現(xiàn)， 電路失去了調(diào)節(jié)作用，輸出電壓完全不隨鍵盤輸入變化而變化，則應檢查開 關管的各極的電壓是否正常，主要檢查 Vbeo、Vceo，分析其是否已經(jīng)工作 在開關狀態(tài)，以找出電源工作不正常的原因。 測試電路如圖 5.1 所示，進行輸出電壓和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的測試時， 均采用這個測試電路。 測試步驟：先調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使輸入電源電路的交流輸入電壓為 220v，在電 源電路的輸出端，選擇適當?shù)呢撦d電阻 RL 的阻值（可以取阻值 為幾十到幾百歐姆、
35、額定工作電源大于本電源電路最大輸出電流的滑變電 阻）使電源的輸出電流為規(guī)定值，在此，取輸出電流為最大輸出電流的 1/2， 為 1A（最大輸出電流為 2A，額定電流為 1A），則取 RL 電阻值為 12 歐姆， 觀察電流表讀數(shù)達到達 1A 后，用萬用表測 量輸出電壓，測量值為 11.96v， 在 12 0.5 這個范圍內(nèi)，符合任務要求指標；通過鍵盤改變預置電壓，使輸出 電壓輸出最小值 3v，同樣調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電流，達到最小值，再次測量 輸出電壓， 測電壓為 3.1v，在 3 5%的誤差范 圍內(nèi)，則所測量的輸出電壓范 圍為 3.1v11.96v。其中， Vi 為電網(wǎng)輸入電壓，Vs 是電路輸入電
36、壓。 整流 濾波 整流 濾波 Vi Vs 電流表 負載 電壓表 圖 5.1 輸出電壓或者輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的測試電路 5.2.3 最大輸出電流的測試 測試電路同樣按照圖 5.1 連接，測試步驟為： 調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路輸入電壓為 Vmin=220 x(1-10%)=198v,從 鍵盤預置最小的電壓，使輸出電壓為最小值，取負載電阻為 1.5 歐姆，使得 輸出電流達到最大值 2A，測量此時電壓為 3.2v，然后，斷開和接通負載，分 別觀察輸出電壓的變化情況，當負載從斷開到接通時，測得的輸出電壓沒有 明顯的變化，仍為 3.3v 左右，由此判斷電源可以輸出這樣的最大電流為 2A。 若在測試中發(fā)現(xiàn)輸
37、出電壓有明顯的變化，則需要適當限制輸出電流或 者輸出電壓。 5.2.4 過流保護的測試 測試電路仍采用圖 5.1，測試步驟：調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路的輸入 電壓為 220v，使用滑動變電阻器，取得適當?shù)呢撦d電阻值，調(diào)節(jié)變阻器，分 別測量輸出電壓為最大值、中間值、最小值三個點，調(diào)節(jié)變阻器，使與負載 電阻 RL 串接的電流表指示值略大于最大輸 出電流值 2A，調(diào)節(jié)后顯示值為 2.2A，當電 流到達此值時，所測得的輸出電壓為 0v，說明過流保護電路在電 流超過規(guī)定值時，將輸出端短路，同理，當 調(diào)節(jié)變阻器使輸出電流小于 2A 時， 電源輸 出電壓正常。 5.2.5 電壓調(diào)整率的測試 電壓調(diào)整率是指在
38、直流電源負載不變，即負載電流不變的情況下，輸入 電壓變化，包括電網(wǎng)電壓變化時，輸出直流電壓變化的相對值，用公式表示 為： ，式中 為電網(wǎng)電壓為 220v 時所對應的輸出直流電壓值，VoSd/ 為電網(wǎng) 電壓從 220v 分別變化到電網(wǎng)電壓 +10%（242v）和-10%（198v）時，o 輸出電壓的變化量。電壓調(diào)整率越小，電源穩(wěn)定性越好。 測試電路仍采用圖 5.1，測試步驟：通過鍵盤預置電壓為最大值、最小值、 中間值，使得 輸出電壓分別為 11.6v、3.2v、6v，分別調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電 流在這幾個點均達到輸出電流的最大值 2A，然后 調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使得交流輸 入電壓為 242v，測得此時的輸
39、出電壓 =11.83v，再調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使交1Vo 流輸入電壓為 198v，測得此時的輸出電壓 =11.56v，再次調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使2 交流輸入電壓為 220v，測得此時電壓 =11.9v，根據(jù)電壓調(diào)整率的計算公 式得 %6.09. 56831%021VoSd 5.2.6 紋波電壓的測試 紋波電壓是指疊加在輸出電壓上的交流電壓分量的有效值或者峰峰值。 測試步驟：交流紋波電壓的最大值一般出現(xiàn)在負載電流最大的時候，因此, 測試輸出紋波電壓時，應當使負載電流達到最大值。 輸出電壓中的紋波電壓有效值可以使用毫伏表測出，而峰峰值可用示 波器測量，由于紋波電壓并不是正弦波，采用毫伏表測量的讀數(shù)，不能代表
40、紋波電壓的有效值，所以這里采用示波器觀察紋波電壓的峰峰值，所測得的 紋波電壓峰峰值為 65mv 左右，符合任務要求。如果要求更小的紋波電壓， 以使輸出電壓脈動更小，可以加大濾波電容。 測試結果： 輸出電壓范圍為 3.1v11.96v； 最大輸出電流為 2A； 電壓調(diào)整率 2.26%； 紋波電壓峰峰值 65mv 6 結論 本文驗證了利用單片機可以實現(xiàn)對開關電源的智能控制，實現(xiàn)智能化開 關電源的制作。通過鍵盤預置電壓，控制單片機進行脈寬調(diào)制，使輸出電壓 在大范圍內(nèi)可調(diào)。應用這個結論，采用工作頻率更高，位數(shù)更高的單片機可 以制作性能更加優(yōu)越，工作頻率更高的、智能化程度更高的開關電源，比如 說，利用單
41、 片機，可以控制當電源長時間不使用時，自動關閉電源；如果采 用片內(nèi)帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機，可以大大簡化電源結構；還可以通過單片機 軟件控制， 實現(xiàn)電源的智能保護，可以設定某個規(guī)定的電壓或者電流，當超 過該電壓或者電流時，單片機關斷開關管，電源不再工作，以便保護電源。 而且單片機還可以擴展許多的功能。 謝 辭 在本次設計、調(diào)試以及論文撰寫過程中，得到了劉老師的熱心指導，老 師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，使我深受教育，在此要非常的感謝老師，同時也要感謝 所有熱心相助的同學們。謝謝你們。 本次設計過程中，從資料準備，方案設計， 調(diào)試的整個過程當中，查閱 了許多的資料，學到了許多寶貴的知識，并在設計實踐的過程中，不
42、斷驗證， 對知識有更加正確的理解，掌握了正確的實踐研究方法，為日后繼續(xù)的學習 和進步，打下了良好的基礎。當然，某些方面的知識準備的不夠，許多知識 還要在以后的工作、學習當中不斷的積累，學無止鏡。 在設計過程中，遇到了許多的難題，經(jīng)過劉老師的精心指導，都得以一 一解決，也正是在解決這些困難的過程中，才慢慢的掌握了合理的研究方法， 合理的設計思想，這是本次畢業(yè)設計一個很大的收獲。 參考文獻 1 楊旭.裴元慶.王兆安.開關電源技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2004.1 2 徐德鴻.沈旭.楊成林.譯.開關電源設計指南M.北京：機械工業(yè)出版社，2004.1 3 鄭國川.李洪英.實用開關電源技術M.福州：
43、福建科學技術出版社，2004.1 4 童詩白.華成英.模擬電子技術基礎M.北京： 高等教育出版社，2001. 5 5 閻石. 數(shù)字電子技術基礎M. 北京：高等教育出版社,2001.5 6 薛永毅.王淑英.何希才.新型電源電路應用實例M.北京：電子工業(yè)出版社，2001.10 7 葉慧貞.楊興洲.新穎開關穩(wěn)壓電源M.北京：國防工業(yè)出版社，1999.1 8 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，2001.9 9 趙效敏.開關電源的設計與應用M.上海：上?？茖W普及出版社，1995.9 10 王水平.付敏江.開關穩(wěn)壓電源-原理.設計與實驗電路M.西安：西安電子科技大學出版社， 1997.1 11 趙學泉.張國華.新型電子電路應用指南M.北京：電子工業(yè)出版社，1995.3 12 Brown Laszlo , Practical Considerations for MOSFET Gate Drive Techniques in high Speed ,Switch-mode Application ,Seminar APEC99 .March 1999 . 附 錄 單片機開關電源的控制程序 單片機顯示和鍵盤電路設計 開關變換電路 控制電路 PCB 圖 開關變換電路 PCB 圖
開關電源畢業(yè)論文.doc
