开关电源设计与制作.docx
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开关电源设计与制作
《自动化专业综合课程设计2》
课程设计报告
题目：
开关电源设计与制作
院（系）：
机电与自动化学院
专业班级：
自动化0803
学生姓名：
程杰
学号：
20081184111
指导教师：
雷丹
2011年11月14日至2011年12月2日
华中科技大学武昌分校制
目录
1．开关电源简介………………………………………………………………2
1.1开关电源概述………………………………………………………………2
1.2开关电源的分类………………………………………………………………3
1.3开关电源特点………………………………………………………………4
1.4开关电源的条件………………………………………………………………4
1.5开关电源发展趋势………………………………………………………………4
2．课程设计目的……………………………………………………………………5
3．课程设计题目描述和要求…………………………………………………………5
4．课程设计报告内容………………………………………………………………5
4.1开关电源基本结构………………………………………………………………5
4.2系统总体电路框架………………………………………………………………6
4.3变换电路的选择………………………………………………………………6
4.4控制方案………………………………………………………………………7
4.5控制器的选择………………………………………………………8
4.5.1C8051F020的内核………………………………………………………8
4.5.2片内存储器…………………………………………………8
4.5.312位模/数转换器………………………………………………9
4.5.4单片机初始化程序……………………………………………………………9
4.6输出采样电路…………………………………………………………………10
4.6.1信号调节电路………………………………………………………………10
4.6.2信号的采样…………………………………………………………………11
4.6.3ADC的工作方式……………………………………………………………11
4.6.4ADC的程序…………………………………………………………………12
4.7显示电路…………………………………………………………………13
4.7.1显示方案…………………………………………………………………13
4.7.2显示程序…………………………………………………………………14
5．总结……………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………………17
1．开关电源简介
1.1开关电源概述
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。
它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种对参数的要求。
这些变换包括交流到直流（AC-DC，即整流），直流到交流（DC-AC，即逆变），交流到交流（AC-AC，即变压），直流到直流（DC-DC）。
广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（SwitchingPowerSupply）。
将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。
根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。
降压型DC-DC开关电源属于非隔离式的。
降压型DC-DC转换器主电路图如1：
图1降压型DC-DC转换器主电路
其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。
驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为
续流二极管。
负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。
至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。
当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。
负载电压的平均值为：
（1）
式中，ton为VT处于导通的时间，toff为VT处于关断的时间；T为开关管控制信号的周期，即ton+toff；α为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号的占空比。
从该式可以看出，，占空比最大为1，若减小占空比，该电路输出电压总是低于输入电压，因此将其称为降压型DC-DC转换器。
负载电流的平均值为（式2）：
（2）
若负载中电感值较小，则在VT管断后，负载电流会在一个周期内衰减为零，出现负载电流断续的情况。
1.2开关电源的分类
开关电源的结构形式很多，按PWM方式来分有以下几种。
（1）反激式变换器
所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。
如果变压器的初级上端为正，则次级上端为负。
反激式变换器效率高，线路简单，能提供多路输出，所以得到了广泛应用。
但是在次级输出的电压中，有较大的纹波电压。
为了解决这一问题，只有加大输出虑波电容和电感，但这样做的结果是增大了电源的体积。
（2）反激式双晶体管变换器
开关电源的功率在200W以上，不宜采用单管反激式电路，这时可以利用反激式双晶体管结构，两管可用双极型晶体管或长效应管。
其中场效应管特别适用，无论是固定频率，可变频率，完全和不完全能量传递方式，用场效应管代替双极型晶体管是首选方案。
（3）正激式变换器
正激式变换器纯粹是个隔离元件，它是利用电感L储能及传递电能的。
变压器的初级和次级线圈是相同的同名端，由于电感L的存在，它的电感折算到初级，使初级电感增大，而电流却减小。
正激式变换器的优点是铜耗低，因为使用无气隙磁芯，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低；缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率较低。
它适用于低电压，大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。
它还具有多台电源并联使用而互不影响的特点，而且可以自动均很，而反激式却做不到这点。
（4）正激式双晶体管变换器
正激式双晶体管是在单管正激式的电路上再串接一只三极管而组成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。
安全可靠是最大的效益，所以，双管正激式变换器得到了广泛应用。
（5）半桥式变换器
为了减小开关三极管的电压应力，可以采用半桥式变换器，它是离线式开关电源较好的拓扑结构。
（6）桥式变换器
（7）推挽式变换器
推挽式变换器的电路比较复杂，尤其是变压器的初级和次级都需要两个绕组，但是它的利用率高，效率高，输出纹波电压小，适合用于百瓦级至千瓦级的开关电源中。
（8）RCC变换器
RCC变换器是节流式阻尼变换器，是一种自激式振荡电路，它的工作频率随着输入电压的高低和输出电流的大小而变化。
因此，在高功率、大电流场合，它的工作不很稳定，只适用于50W以下的小功率场合。
但是其电路简单，成本低，制作、调试容易，因此，有一定的应用价值。
1.3开关电源特点
（1）节能（效率一般可达85%以上）；
（2）体积小，重量轻；
（3）具有各种保护功能；
（4）改变输出电流、电压容易，稳定，可控
1.4开关电源的条件
开关电源的条件有三个：
（1）.开关：
电力电子器件工作在开关状态而不是线性状；
（2）.高频：
电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；
（3）.直流：
开关电源输出的是直流而不是交流。
1.5技术追求和发展趋势
开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：
（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。
在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。
因此，高频化是开关电源的主要发展方向。
（2）高可靠性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。
从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。
这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。
（3）低噪声——开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯地追求高频化，噪声也会随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。
所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
（4）采用计算机辅助设计和控制——采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。
2．课程设计目的
（1）熟练掌握选用芯片各引脚的功能及控制原理
（2）理解设计的开关电源整体工作原理
3．课程设计题目描述和要求
（1）设计和制作12V,15V,24V,36V中任一种开关电源并利用单片机检测显示电压。
（2）采用隔离或非隔离变换电路。
（3）采用TOP或PWM芯片实现。
4．课程设计报告内容
4.1开关电源基本结构
第一类：
变换电路（图2）：
含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。
（如：
正激、反激电路）
图2变换电路
输入电路的作用：
（1）线性滤波电路抑制谐波和噪声
（2）浪涌滤波电路抑制来自电网的浪涌电流
控制电路：
向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。
TOP芯片（TOPSwitch-Ⅱ）（图3）
图3TOP芯片
TOPSwitch-Ⅱ的三个管脚分别为控制端C（CONTROL）、源极S（SOURCE）、漏极D（DRAIN）。
第二类：
开关稳压电源（如图4）
图4开关稳压电源
4.2.系统总体电路框架
图5系统总体电路
4.3变换电路的选择
Boost升压电路是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。
（如图6）
调试时应注意:
（1）不能开路—必须有一定负载
（2）容易烧坏开关管—控制问题
图6Boost升压电路
4.4控制方案
UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片，是专门用于构成正激型和反激型等开关电源的控制电路。
其主要优点是电压调整率可以达到0.01%，工作频率高达500kHz，启动电流小于1mA，外围元件少。
它适合做20W～80W的小型开关电源。
其工作温度为0℃～70℃，最高输入电压30V，最大输出电流1A，能驱动双极型功率管和MOSFET。
UC3842采用DIP-8形式封装。
其内部结构框图和各引脚的功能见有关手册。
UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可调制方式，共有8个引脚（图8.1），各引脚功能如下：
①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率有外接的阻容时间常数决定，f=1.72/RTCT；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。
图7UC3842典型应用图8UC3842引脚图
图9UC3842应用图
此电路结构简单，容易布线，成本低。
但是，UC3842的采样电压不是从输出端取到的，输出电压稳压精度不高，只适合于用在负载较小的场合。
4.5控制器的选择
随着半导体制造技术的飞速发展，出现了各种各样的高集成度微控制器，与通用的51单片机相比，这些控制器有很多的优点。
如多级流水线的内核，高集成度的数字外设，根据设计的需要选择的控制器是silicon公司的C8051F020单片机。
4.5.1C8051F020的内核
该与8051完全兼容C8051F020系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8/4个字节宽的I/O端口。
速度提高CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。
而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。
CIP-51共有111条指令。
4.5.2片内存储器
CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。
它包括256字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。
用间接寻址访问通用RAM的高128字节，用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。
数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。
前32个字节为4个通用寄存器区，接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。
C8051F020/1/2/3中的CIP-51还另有位于外部数据存储器地址空间的4K字节的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。
这个片内的4K字节RAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址（以4K为边界重叠）。
外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（4K以下的地址指向片内，4K以上的地址指向EMIF）。
EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。
MCU的程序存储器包含64K字节的FLASH。
4.5.312位模/数转换器
C8051F020/1有一个片内12位SARADC（ADC0），一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。
该ADC工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度，INL为±1LSB。
C8051F022/3有一个片内10位SARADC，技术指标和配置选项与C8051F020/1的ADC类似。
ADC0的电压基准可以在DAC0输出和一个外部VREF引脚之间选择。
对于C8051F020/2器件，ADC0有其专用的VREF0输入引脚；对于C8051F021/3器件，ADC0与8位的ADC1共享VREFA输入引脚。
片内15ppm/°C的电压基准可通过VREF输出引脚为其它系统部件或片内ADC产生基准电压。
ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。
有一个输入通道被连到内部温度传感器，其它8个通道接外部输入。
8个外部输入通道的每一对都可被配置为两个单端输入或一个差分输入。
系统控制器可以将ADC置于关断状态以节省功耗。
可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从0.5到16以2的整数次幂递增。
当不同ADC输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式，DAC可用于提供直流偏移），这个放大环节是非常有用的。
A/D转换有4种启动方式：
软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。
这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。
转换结束由一个状态位指示，或者产生中断（如果中断被使能）。
在转换完成后，10或12位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。
这些数据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。
窗口比较寄存器可被配置为当ADC数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。
ADC可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才向控制器申请中断。
4.5.4单片机初始化程序
（1）系统时钟初始化
voidSYSCLK_Init（void）
{
inti;
OSCXCN=0x67;
for（i=0;i<256;i++）;
while（!
（OSCXCN&0x80））;
OSCICN=0x88;
}
（2）端口初始化
voidPORT_Init（void）
{
XBR1=0x14;
XBR2=0x40;
P0MDOUT|=0x01;
P2MDOUT=0xe0;
P3MDOUT=0xff;
}
4.6输出采样电路
4.6.1信号调节电路
图8中，第一级是电压衰减，第二级是电压校正。
这是一个非常方便的设计，因为我们划分调整模块。
输入电压摆动范围可以通过改变电阻R3来调整，电压校正可以通过R5调节，这些参数都是独立的，能够毫无影响的来配置这些值。
另外，还可以在第一级与第二级电路中间加一些如滤波电路等等的功能模拟电路。
图8信号调节电路
4.6.2信号的采样
模拟信号转换成数字电路，通常采用的是模数转换器。
由于所选单片机已经集成了模数转换器，所以要做的事情就是配置模数转换器的控制寄存器。
C8051F020/1的ADC0子系统包括一个9通道的可编程模拟多路选择器（AMUX0），一个可编程增益放大器（PGA0）和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。
AMUX0、PGA0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件特殊功能寄存器来控制。
只有当ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置‘1’时ADC0子系统（ADC0、跟踪保持器和PGA0）才被允许工作。
当AD0EN位为‘0’时，AD0C子系统处于低功耗关断方式。
4.6.3ADC的工作方式
ADC0的最高转换速度为100ksps，其转换时钟来源于系统时钟分频，分频值保存在寄存器ADC0CF的ADCSC位。
（1）启动转换
有4种转换启动方式，由ADC0CN中的ADC0启动转换方式位（AD0CM1，AD0CM0）的状态决定。
转换触发源有：
向ADC0CN的AD0BUSY位写1；定时器3溢出（即定时的连续转换）；外部ADC转换启动信号的上升沿，CNVSTR；定时器2溢出（即定时的连续转换）。
AD0BUSY位在转换期间被置‘1’，转换结束后复‘0’。
AD0BUSY位的下降沿触发一个中断（当被允许时）并将中断标志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。
转换数据被保存在ADC数据字的MSB和LSB寄存器：
ADC0H和ADC0L。
转换数据在寄存器对ADC0H:
ADC0L中的存储方式可以是左对齐或右对齐，由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的编程状态决定。
（2）跟踪方式
ADC0CN中的AD0TM位控制ADC0的跟踪保持方式。
在缺省状态，除了转换期间之外ADC0输入被连续跟踪。
当AD0TM位为逻辑‘1’时，ADC0工作在低功耗跟踪保持方式。
在该方式下，每次转换之前都有3个SAR时钟的跟踪周期（在启动转换信号有效之后）。
当CNVSTR信号用于在低功耗跟踪保持方式启动转换时，ADC0只在CNVSTR为低电平时跟踪；在CNVSTR的上升沿开始转换。
当整个芯片处于低功耗待机或休眠方式时，跟踪可以被禁止（关断）。
当AMUX或PGA的设置频繁改变时，低功耗跟踪保持方式也非常有用，可以保证建立时间需求得到满足。
（3）建立时间要求
当ADC0输入配置发生改变时（AMUX或PGA的选择发生变化），在进行一次精确的转换之前需要有一个最小的跟踪时间。
该跟踪时间由ADC0模拟多路器的电阻、ADC0采样电容、外部信号源阻抗及所要求的转换精度决定。
给出了单端和差分方式下等效的ADC0输入电路。
注意：
这两种等效电路的时间常数完全相同。
对于一个给定的建立精度（SA），所需要的ADC0建立时间可以用如下方程见式（3）估算。
当测量温度传感器的输出时，RTOTAL等于RMUX。
注意：
在低功耗跟踪方式，每次转换需要用三个SAR时钟跟踪。
对于大多数应用，三个SAR时钟可以满足跟踪需要。
ADC0建立时间要求,SA是建立精度，用一个LSB的分数表示（例如，建立精度0.25对应1/4LSB）t为所需要的建立时间，以秒为单位RTOTAL为ADC0模拟多路器电阻与外部信号源电阻之和n为ADC0的分辨率，用比特表示见式
（1）。
t=ln（2n/SA）×RTOTAL×CSAMPLE
（1）
4.6.4ADC的程序
集成ADC的灵活性在于可以用程序对其配置，根据上述的各个模块的叙述，编写以下的程序，对与ADC有关的寄存器进行赋值，将ADC置于设计的工作环境中。
（1）ADC配置程序
voidADC0_Init（void）
{
ADC0CN=0x04;//ADC0T3定时采样,左对齐
REF0CN=0x03;//启用内部基准源
AMX0SL=AMX0SL_AIN;//选择采样输入源
AMX0CF=0x00;//AIN1为单端输入
ADC0CF=（SYSCLK/2500000）<<3;//ADCconversionclock=2.5MHz
ADC0CF|=0x00;//PGAgain=2
EIE2|=0x02;//启用ADC中断
}
（2）ADC中断服务程序
voidADC0_ISR（void）interrupt15
{
AD0INT=0;//清ADC中断标志位
accumulator+=ADC0;//累加ADC采样数据
int_dec++;//指针加1
if（int_dec==INT_DEC）//累加完了吗？
{
int_dec=0;//指针复位
result=accumulator>>8;
accumulator=0L;//累加和变量清0
}
}
4.7显示电路
4.7.1显示方案
为了更加清楚的显示各项数据，本系统采用了GDM1602A型的LCD显示器，能够方便的编程，该显示器内部集成了字符发生器，只要将欲显示的字符的ASCII码按照写数据的时序写入LCD显示缓冲区，就可以在液晶屏上显示了。
主要的技术参数有显示容量：
16×2个字符，芯片工作电压：
4.5-5.5V,工作电流：
2.0mA（5.0V）,模块最佳工作电压：
5.0V,字符尺寸：
2.95*4.35（W*H）mm。
接口信号说明：
1、2脚为电源的地VSS与电源的正极VDD，3脚为液晶显示变压信号VL，4脚为数据、命令选择端RS，5脚为读
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