基于单片机控制的开关电源设计文档格式.docx

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2013年5月24日

基于单片机的开关电源设计

摘　　要

本次设计的主要目的是实现一个智能开关电源，开关电源在日常生活中应用非常广泛，比如电视机、电脑、冰箱以及其他常用的电子产品都需要用到开关电源.如今是数字化时代，用单片机实现电子产品十分方便，所以在这次设计中，使用了单片机实现。

本设计提出了一种基于单片机控制的高效率、低功耗开关电源直流电压转换器的设计方法，其中直流-直流变换器控制电路使用MC34063芯片。

单片机控制部分使用了STC12C5A60S2单片机进行控制，可以通过步进键盘实现输出电压的升降操作。

单片机STC12C5A60S2对电压电流进行采样形成高精度的电压电流反馈，再通过编程处理控制DAC0832输出一个精准的0-2.56v的参考电压，电压输出端采集电压与参考电压通过一个电压比较器进行比较，并将比较结果输入至MC34063的反相输入端，控制开关管的通断时间，以此来控制输出电压。

关键字：

MC34063，STC12C5A60S2，DC/DC变换器，开关电源

TheDesignofSwitchingpowersupplybasedonMCU

ABSTRACT

Switchingpowersupplyhasbeenwidelyusedamongourdailylifesuchastelevision,computer，refrigerator，etc.Sincewearelivinginadigitizedworld,whereMCUcanbeusedeasily,convenientlyinelectronicindustrywithconsiderableefficiency,adesignofDCvoltageswitchingpowerisproposed,whichisbasedonMCUandalso,hashighefficiencyandlowpowerloss.Inthisdesign,thechipMC34063isusedforthesectionofdc/dcconvertorandtheMCUSTC12C5A60S2,whichhasvariablefunctionsespeciallytheA/DconvertorandtheoutputofPWMwave,isusedforthecontrolsection.Wecanadjustthevoltageweneedthroughpushingthepress-button.Inthisdesign,theMCUSTC12C5A60S2controlstheDAC0832byprogrammingandhandlingthecollectionofthefeedbackvoltageandcurrenttoproduceareferenceofvoltagethatisusedtobecomparedwiththecollectionofthefeedbackvoltage,soastochangetheoutputvoltage.

Keywords:

MC34063，STC12C5A60S2，DC/DCConvertor,Switchingpowersupply.

（二）开关电源的热点及发展现状2

（一）开关电源的基本原理4

（二）各部分主要电路设计17

一、绪论

（一）开关电源的背景和意义

1.历史背景：

开关电源已有几十年的发展历史。

1955年发明的自激推挽式晶体管变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；

1957年发明的自激推挽式双变压器，1964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。

1977年脉宽调制（PWM）控制器集成电路的问世，1994年单片机开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。

于此同时，开关电源的频率也从最初的20khz提高到几千赫兹至几兆赫兹。

目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻薄的方向发展。

各种新技术、新工艺和新旗舰如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。

2.开关电源的优点：

（1）功耗小，效率高。

在开关电源电路中，在激励信号的激励下，开关管交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度很快，工作频率一般为50khz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000khz。

这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，美国一般家用电器和工业电器设备的单机能源消耗指数大于92%。

美国的“能源之星”对电子镇流器，开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。

（2）体积小，重量轻。

从开关电源的原理框图可以清楚地看到没有采用笨重的工频变压器，由于开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。

由于这两方面的原因，使开关电源实现了体积小，重量轻。

据统计，100w的铁芯变压器的重量为1200g左右，体积达350立方厘米，而100w的开关电源的重量还有250g，敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。

（3）稳压范围宽。

改变输出电流、电压比较容易，而且稳定、可控。

开关电源的输出电压是由激励信号来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。

这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。

所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。

此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。

这样，开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关电源。

（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。

开关电源的工作频率目前基本上是工作在50khz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。

就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。

在相同的波纹输出电压下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500~1/1000。

（5）开关电源具有各种保护功能，提高了开关电源工作的可靠性。

（6）电路形式灵活多样。

开关电源的形式有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等，设计人员可以发挥各种类型的电路特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。

3.开关电源的缺点：

开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰，在开关电源中，功率开关管工作在开关状态，在其开关过程中产生的交流电压和电流通过电路中的其他元件产生尖峰干扰和谐振干扰。

这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整个系统的正常工作。

此外，由于开关电源振荡器没有工频变压器隔离，这些干扰就会传入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和控制设备受到严重的干扰。

4.开关电源发展中存在的问题：

客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这是因为它具有其他电源所无法比拟的优势。

材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。

但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性一级使用的安全性都不能说是十分完美。

目前需要解决的问题有：

（1）器件问题。

开关电源的控制集成度不高，这就影响了开关电源的稳定性和可靠性，同时对开关电源的体积和效率来说也是一个大问题。

（2）材料问题。

开关电源使用的是磁芯、电解电容及整流二极管都很笨重，也是耗能的主要根源。

（3）能源变换问题。

按照习惯，变换有这样几种形式：

ac/dc变换、dc/ac变换、dc/dc变换等，实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。

（4）软件问题。

开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。

要做到“软开关”并实行程序化，更有一定的困难。

要真正做到功率转换，功率因数改善，全程自动检测控制实现软操作，目前还存在很大的差距。

（5）生产工艺问题。

往往在实验室中能打到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。

这些问题大多数是焊接问题和元件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、黏结、环境等方面的因素。

5.设计指标

可见开关电源优点还是远多于其缺点的，本次设计将实现一个可调输出电压的开关电源。

其中输出电压可调范围为3-20V，最大输出功率为40W，实际输出电压与预置电压最大误差为5%，其具有显示预置电压及输出电压、输出电流的功能且能实现对输出电压的微调。

（二）开关电源的热点及发展现状

1线性电源和开关电源

线性稳定电源，其特点是:

它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出，稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路、输出连续可调的成品。

线性电源的主要问题在于：

输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷还是在体积和重量上。

通过输入调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消耗，并使效率更低。

线性电源要达到50%的效率就不容易了，这些白白消耗掉的功率还带来散热问题。

如果要使线性电源在一个通用输入电压范围（85V—265VAC）工作，会导致线性电源的效率更低。

开关电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。

它和线性电源的根本区别在于它的变压器不工作在工频上，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。

功率开关管工作在饱和区截止区，即工作在开关状态，开关电源因此而得名。

开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠。

多年来，由于技术上的障碍（高压，大功率），开关电源集成电路在集成化上一直因一种电流模式PWM开关电源控制器的设计得不到很大的进步。

但是最近这几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。

首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。

因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热保护电路、限流电路、过/欠压保护电路等。

通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高，转换效率高，性能可靠。

除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。

理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。

如果把工作频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积重量可以下降至工频设计的5-10%，其主要材料可节约90%或更高。

一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。

因此，开关电源代替线性电源是大势所趋[1]。

2电源技术的发展方向

开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。

由于电源轻、小、薄的关键