基于单片机控制的开关电源的设计 - 图文

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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

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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。

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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哈尔滨剑桥学院毕业论文

通密度。计算出Ap的值，于手册对照，选用大于Ap值产品，就可以查到对应铁心的截面积，公式为N?LIm确定绕组匝数。 BmAe2.4.3 标度转换技术

本次设计使用了ADC0809，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。

控制系统检测被控对象的参数是有不同数值与量纲。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。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。

我们这次设计标度转换为：

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 开关变换器的结构分析与选择

开关电源核心是脉冲控制电路与高频开关变换电路。输出电压平均值

Vo?Ton/(Ton?Toff)?Vi,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（Ton）与

截止时间（Toff），达到控制输出电压目的。隔离电路采用高频隔离变压器与高频变化器。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。

2.5.1 降压变换电路分析

这些开关电源是直流供电，它们输入电压总是比输出电压高。

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，电容的作用是平滑输出。电路中负载电阻与开关管是串联，因此称为串联开关电源。

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