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程控升压开关电源论文

程控升压开关电源的设计

摘要

随着现代的科技发展，很多领域的电源系统中都用到了DC-DC电源模块。

因相应技术的提高，电源系统的性能极其使用的价值都有了更高的要求。

像对电源的体积、功耗、及其输出功率和成本等的要求。

本文介绍的程控升压开关电源，正是基于实现以上思想的基础上来设计的。

设计的过程中，分为硬件设计和软件设计两个部分，但不论是硬件还是软件上都采用了模块化的思想，使设计的作品结构清晰切易于发现和改进它在各个方面的不足。

设计作品主要分为由MC34063芯片组成的DC/DC升压变换模块和由STC12C5410AD单片机组成的控制模块组成。

另外还包括了键盘模块和LED显示模块等。

DC/DC升压变换模块用来完成对直流电压的升压，而中心控制模块则用来控制对输出的电压电流数据的采集极其显示，及对直流电压升降的程控。

键盘的输入是程控电压升降大小的参数，LED显示模块则用来显示整个系统输出的电压电流的大小。

设计作品具有体积小、功耗底、输出功率大及价格相对便宜等优点。

它基本符合了现在很电源领域的应用。

关键词：

程控，DC/DC升压变换，STC12C5410AD单片机，LED显示。

DESIGNOFBOOSTPROGRAM－CONTROLLEDSWITCHINGPOWERSUPPLY

ABSTRACT

Withmodernscienceandtechnologydevelopment,manyareasofpowersystemsareusedintheDC-DCpowermodules.Appropriatetechnologyfortheimprovementofpowersupplysystemusedintheperformanceofmostvaluehaveahigherdemand.Likethepowerofsize,powerconsumption,anditsoutputpowerandcostrequirements.

Thispaperdescribesthestep-upprogram-controlledswitchingpowersupply,isbasedontherealizationoftheaboveideasonthebasisofthedesign.Intheprocessofdesign,hardwaredesignandsoftwaredesignisdividedintotwoparts,butnomatterwhathardwareandsoftwareusedonamodularthinking.

DesignworksweremainlycomposedoftheMC34063chipDC/DCBoosttransformSTC12C5410ADSCMmodulesandcomponentsfromthecontrolmodule.ItalsoincludesakeyboardmoduleandLEDdisplaymodule.DC/DCBoostmoduleusedtocompletethetransformationofthestep-upDCvoltage,Thecentercontrolmoduleisusedtocontroltheoutputvoltageandcurrentdatacollectionisextremely,andtheDCvoltageoftheprogram-controlledmovements.Keyboardinputvoltageisprogrammedmovementsofthesizeparameters,LEDdisplaymoduleisusedtoshowthewholesystemoutputvoltageandcurrentsize.

Designworkissmallinsize,powerconsumptionattheendoftheoutputpowerandpriceadvantagesofrelativelycheap.Itisnowbasicallyinlinewiththepoweroftheapplication.

KEYWORDS：

Program-controlled，DC/DCBoosttransform，STC12C5410ADSCM，LEDDisplay

目　录

前　言

随着对节能技术的呼声越来越高，随着电子设备小型化的要求，随着对环境保护的更高要求，开关电源技术也在飞速地发展着。

更高效率，更小体积，更少电磁污染，更可靠地工作的开关电源成为了现在电源中所必须的。

开关电源的迅速发展是与弹片机分不开的，而本设计程控升压开关电源也正是在相关的弹片机的基础上来完成的。

设计是基于现实中对开关电源的要求来完成的。

试制成的作品不但达到了应用的相关要求还有体积小，功耗小，价格底等的优点。

整个设计分了硬件和软件两块，本文主要是针对硬件的设计。

硬件以MC3063和STC12C5410AD单片机为中心，前一单片机及其外围电路组成了DC/DC升压变换模块，而后者和其外围电路则共同构成了系统的控制模块。

通过这两主要模块及一些相关的模块从而完成了设计所要实现的要求。

在硬件和软件都设计成功后，两者联合在一起便可以正常的工作了。

论文的第一章介绍了整个系统的设计原理及其实现的方安，从而对程控开关电源做了一个全面的介绍；论文的第二章主要是程控开关电源的硬件设计部分。

其中重点介绍了DC/DC升压变换电路和中心控制电路的硬件设计。

第三章简要介绍了系统软件方面的设计。

因为本文主要是针对硬件，所以只是简要介绍了软件设计的流程图等。

其中只对键盘模块的程序做了详细的设计。

由于时间的限制及其本人的水平有限，所一设计的作品还有很多的不足之处，像系统的散热功能不是很好等。

所以作品在很多的方面都需要改进。

第一章程控升压开关电源设计的原理及方案介绍

随着科学技术的发展，开关电源稳压器技也得到了飞速的发展。

更高效率，更小体积，更少电磁污染，更可靠地工作的开关电源是现在设备中所需要的。

而本设计也是基于这些优点上的设计。

本章介绍了开关电源的原理和本设计的主要设计方案。

§.2程控生压开关电源的工作原理

开关电源的工作原理是通过电路控制开关管进行高速的导通与截止。

将整流滤波变换后的直流电压电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压，再将交流电压变换成直流电压输出。

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

DC/DC生压电路具体有以下几类：

（1）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

（2）Buck-Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

（3）Cuk电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。

开关电源工作效率高，一般可达到80%以上。

在其输出电流的选择上，准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，通常输出的计算公式为：

Is=KIf

式中：

Is—开关电源的额定输出电流；

If—用电设备的最大吸收电流；

K—裕量系数，一般取1.5~1.8；

另外好的开关电源还需要有必要的保护电路和接地等的设计。

§.2程控生压开关电源的方案介绍

电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。

高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。

当然，开关电源的产生反过来也同样解决了现代工业生产中的很多的难题。

整个程控生压开关电源的设计方案主要包括硬件设计部分和软件设计部分。

§11.2.1程控升压开关电源的技术指标及主要功能

（1）输入直流电压18~26V，输出直流电压32V，电流2A；输出电压的调整范围±10%；

（2）输出电压的调整可通过单片机的控制实现；能数字显示输出的电压和电流

§11.2.2程控升压开关电源的硬件设计方案

硬件设计部分采用模块化的设计思想，其硬件主要有以下模块：

（1）单片机控制模块（单片机采用STC12C5410AD）；

（2）DC/DC升压变换模块（采用MC34063）；

（3）键盘和LED显示模块；

在控制模块中，STC12C5410AD单片机是整个系统的控制中心。

它负责控制DC/DC升压模块的步进，对输出的电压和电流数据的采集，控制LED对输出数据的精确显示。

DC/DC升压变换模块是本设计的中心，它的主要作用是完成直流到直流的升压变换，从而达到所要求的电压值。

键盘和LED显示模块受控制模块的控制，键盘可以实现对电压和电流输出大小的设置；控制模块采集的电压电流数据则由LED显示模块来显示。

　程控升压开关电源系统硬件的总框图如图１－１所示：

　　图1-1系统硬件的总框图

§11.2.3程控升压开关电源的软件设计方案

系统的整个软件的设计也采用模块化思想，对各个部分的程序进行相应的设计。

程序模块的总框图如图1-2所示：

图1-2系统软件设计模块的总框图

程控升压开关电源的系统程序中，主程序包括了程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序。

它将其它模块的程序嵌套在一起，从而完成对整个电路的操作。

数据采集部分的程序用来完成对输出的电压电流的数据采集，并奖采集来的数据送到LED显示模块来进行显示。

键盘、LED显示模块用来对整个系统进行控制，并显示输出数据的大小。

通信模块中包括了初始化、发送及接收部分，可实现系统与PC机通信的功能。

第二章程控升压开关电源的硬件电路的设计

硬件电路以DC/DC升压电路为中心，而由STC12C5410AD单片机组成的电路是整个电路的控制中心。

另外还包括了键盘电路、LED显示电路和对DC/DC升压模块及单片机的供电电路。

整个系统的电路原理图见附录。

§21.1开关电源DC/DC升压变换电路的设计

本设计的主要硬件部分便是DC/DC升压电路部分，在设计中，为达到设计的要求的指标，而采用了专业的DC/DC电压变换芯片MC34063。

MC34063是一种用于DC/DC电源变换的集成电路，它的应用比较广泛，且通用廉价易购。

它可以用于电压的升压、降压以及极性反转。

极性反转效率最高65%，升压效率最高90%，变换效率和工作频率滤波电容等成正比。

另外，输出功率达不到要求的时候，比如大于250~300MA时，可以通过外接扩功率管的方法扩大电流。

由于内置有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流达到1.5A。

内部电路包含有参考电压源、震荡器、逻辑控制线路和开关晶体管。

参考电压源是温度补偿的带隙基准源。

震荡器的震荡频率由3角的外接定时电容决定。

开关晶体管由比较器的反向输入端和与震荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由震荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。

34063的内部原理图及相应的外围电路构成的DC/DC升压电路如下图2-1所示：

图2-1MC34063内部原理和相应的外围电路图

外围电路的含义和他们的计算公式如下：

Vout（输出电压）=1.25V（1+R1/R2）

Ct（定时电容）：

决定内部的工作频率。

Ct=0.000004*Ton（工作频率）

Ipk=2*Iomax*T/toff

Rsc（限流电阻）：

决定输出电流。

Rsc=0.33/Ipk

Lmin（电感）：

Lmin=（Vimin-Vces）*Tom/Ipk

Co（滤波电容）：

决定输出电压波纹系数。

Co=Io*ton/Vp-p（波纹系数）

其他固定的参数：

Vces=1.0V

Ton/toff=（Vo+Vf-Vimin）/（Vimin-Vces）Vimin：

输入电压不稳定时的最小植。

Vf=1.2V快速开关二极管正向压降

通过对上面的参数的计算，可以确定响应器件的大小。

其中R2设置成可变的电阻，用来调节输出电压的大小。

由于34063所经受的最大电流小于2A，所以在它的外围电路上加了MOS管用于扩流，使其输出的电流达到设计的要求。

整个DC/DC升压变换模块的电路图如图2-2所示：

图2-2DC/DC升压变换模块电路图

输入DC/DC升压变换模块的电压是18V~26V的直流电压，所以由交流变压器变换过来的电压要经过整流滤波后才可输入。

常用的滤波整流电路有单相桥式蒸馏电容滤波电路、全波整流滤波电路、半波整流滤波电路和倍压整流滤波电路。

相比而言，第一种电路具有输出电压高、变压器利用率高，脉动小等的优点。

本设计整流滤波采用就是单相桥式蒸馏电容滤波。

整流滤波的电路图如图2-3所示：

图2-3整流滤波模块的电路图

§21.2控制模块的电路设计

在控制模块中，STC12C5410AD单片机是其核心部件。

STC12C5410AD单片机是深圳宏晶科技生产的一款单片机。

它是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。

4路PWM,8路高速10位A/D转换。

STC12C5410AD单片机其所有I/O口均可由软件配置成4种工作类型之一。

4种类型分别为：

准双向口（标准8051输出模式）、推挽输出、仅为输入（高阻）或开漏输出功能。

每个口由2个控制寄存器中的相应位控制每个引脚工作类型。

单片机上电复位后为准双向口（标准8051的I/O口模式）模式。

2V以上时为高电平，0.8V以下时为低电平。

图2-4STC12C5410AD单片机的封装图

STC12C5410AD单片机带A/D转换的单片机在P1口，有8路10位高速A/D转换器,速度可达100KHz。

P1.7-P1.0共8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。

所以本设计用到的A/D转换是直接接在弹片机的A/D口上的。

上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。

需作为A/D使用的口需先将其设置为高阻输入或开漏模式。

在P1M0、P1M1中对相应的位进行设置。

STC12C5410AD单片机电源和晶振的描述如下：

VCC——运行和程序校验时加的电压；

VSS——接地；

XTAL1——输入到振荡器的反向放大器；

XTAL2——反向放大器输出，输入到内部时钟发生器。

振荡器是用来将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。

本弹片机内部自带晶振，但为满足要求，设计采用了外部石英晶振。

石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变化1°C所引起的固有频率相对变化量）在10-6以下。

的晶振电路如下图2-5所示：

图2-5外部晶振电路图

另外它的工作电压为5.5V-3.8V（选用的5V单片机），工作频率范围在0-35MHz，实际的工作频率可达48MHz。

内部集成有512字节RAM。

其工作温度范围在-40～+85℃。

本设计采用的STC12C5410AD单片机引角排列和封装如上图2-4所示。

由STC12C5410AD单片机组成的控制模块负责对输出电压和电流大小的数据采集，并将采集到的数据送到LED显示模块，控制显示模块精确显示系统输出电压电流的大小。

另外控制模块对键盘上输入的信息进行处理，完成对系统输出电压的调整，使其输出符合实际工作的需求。

由STC12C5410AD单片机组成的电路如下图2-6所示：

图2-6STC12C5410AD单片机组成的控制模块的电路图

§21.3LED显示模块电路的硬件设计

显示器是最长用的输出设备。

由发光二极管组成的LED显示器和液晶模块组成的LCD显示器因其结构简单、价格廉价和接口容易等的特点，更是得到了广泛的应用。

因系统输出的只是数字，所以在设计中采用了由发光二极管组成的LED显示器。

发光二极管显示器是由若干个发光二极管组成显示的字段，当二极管导通时相应的一个点或一个笔划发光，这样就能显示各种字符。

本设计采用的是七段LED数码显示器。

七段LED数码显示器分为共阳极和共阴极两种，设计中采用了共阳极的数码显示器。

它的结构图如下图2-7所示：

图2-7七段LED数码显示器的结构和引角图

因为采用的是共阳极的，所以comm端接的是高电平。

当某个字段的阴极接底电平时，对应的字段就会点亮。

LED显示分为动态和静态显示。

静态显示时，若显示某个数字相应的发光二极管恒定得导通或截止，这种方法，每一显示位都需要一个8位的输出口控制，占用的硬件较多，一般仅用于显示位数较少的场合。

动态显示时，将会一位一位地轮流点亮各位显示器，对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次，利用人的视觉留感达到显示的目的。

显示器的亮度跟导通的电流有关，也和点亮的时间与间隔的比例有关。

动态显示器因其硬件成本较低，而得到广泛的应用。

因为系统输出的数字位数较少，所以采用了最为简单的静态显示。

由控制模块传输过来的信号，通过一位寄存器74LS164输出，然后与数码管的相应引角连在一起。

而三极管的放大信号与数码管的共阳极相连，由两个信号来控制数码管的显示。

本设计的显示器由5个数码管相连组成，其电路图如图2-8所示：

图2-8LED显示模块的电路图

§21.4键盘模块的硬件电路的设计

键盘用来对系统输出电压大小的设置，用它可以上下调节系统输出的电压值。

本设计的键盘模块采用动态扫描的方式，键盘扫描电路输出端和LED显示器段码控制端口共用74HC164的输出Q0~Q7。

键盘模块具有八个按键输入，可作为独立的1×8按键输入，也可作为2×4的阵列键盘使用。

它可采用DC5V供电，也可采用DC3V供电；而且它的接口简单，可方便与任何一款单片机进行软硬件接口设计。

本系统的键盘采用1×8行列式键盘。

其工作原理为：

单片机通过运行程序不断扫描键盘，检查是否有键按下，当扫描到有键按下时。

经过程序处理找出按下的键值，并调用相应键操作程序完成对应的键操作。

其电路原理图如下图2-9所示。

整个键盘与系统连接的电路图见附录里的总电路图。

图2-9键盘电路的原理图

§21.5硬件其它模块的电路设计

设计中除了以上的硬件电路以外，还有单片机与计算机之间的通信接口电路，及给单片机供电的电源和给DC/DC输入18V～26V的供电电路。

单片机与计算机之间的通信是通过计算机上的UART口和MAX232之间的连接来实现的。

通过连接可以将编好的程序下到单片机中。

而且也是通过这个接口来为弹片机供电的。

接口的电路可见附录的整个设计的原理图。

MAX232是控制模块的一部分，其在电路中的连接如下图2-10所示：

图2-10MAX232连接电路图

输入DC/DC升压电路模块的是有专业的变压器变压而来的。

变压器接入220V的交流电源，经变压后变成18V的交流电，经整流变压后，以18V的支流电源输入到DC/DC升压模块。

第三章程控升压开关电源的软件系统的设计

程控升压开关电源的软件系统的设计采用模块化的思想，将一个复杂的程序分成几个部分来设计。

这样不但使编出的程序看上去思路清晰，且容易及时纠正程序中出的错误。

因为本设计主要针对程控升压开关电源的硬件设计，所以在此只是对它的整个软件系统做简单的介绍，而对个别模块的程序设计则做了进一步详细的说明。

§.2.1系统主程序模块的设计

当整个系统通电后，系统进入工作状态。

首先STC12C5410AD单片机自动复位，开始运行该程序。

该程序先对STC12C5410AD单片机初始化。

初始化包括时间中断的初始化、外部中断源的初始化、对STC12C5410AD的I/O初始化、RAM初始化、LED显示，然后调用数据采样程序，进行一次A/D数据采样，从而给出开机显示。

接下来运行键盘模块的程序，判断是否有键输入，若没有键输入，则显示开机时的初始输出值；若有键按下，则会改变PWM的占空比，从而改变了输出的电压，再次调用数据采集程序，进行A/D数据采样，显示新的输出结果。

然后再次判断是否有键按下，从而进行循环。

整个程序会一直循环，直到系统停止工作。

整个系统的具体工作流程图如下图3-1所示：

图3-1系统主程序工作流程图

§.2A/D数据采样模块的程序设计

A/D数据采样模块的程序是用来对系统输出的电压电流的数据进行采集，然后将采集来的数据进行相应的处理。

如进行A/D转换等。

当运行数据采样模块的程序时，首先进行初始化，然后对输出数据采集，A/D数据转换，将转换后的结果保存，显示转换后的结果。

接下来判断A/D转换是否结束，若没有结束，则程序转到对输出数据的采集部分，从而进行循环。

若成功了，则返回。

A/D数据采样模块的程序工作流程图如下图3-2所示：

图3-2A/D数据采样的程序工作流程图

§.2键盘扫描模块的程序流程图

键盘在单片机应用中是不可缺少的一部分。

本设计的键盘是采用1列8行（1X8）的设计思想，74HC164对键盘进行行驱动，列线接在单片机的I/O口上，在固定的极短的时间内对键盘的列线进行扫描，进而判断是否有键按下，从而跟据按键值对PWM拨的占空比进行相应的改变，在主程序中则根据按键值做出进一步的判断。

它的程序流程图如下图3-3所示：

图3-3键盘扫描程序的流程图

本键盘模块采用查询方法实现键盘的输入功能。

由于系统采用由机械触点构成的独立式按键，它存在按键开关的抖动问题，这个抖动容易影响到单片机对按键的正确判断。

下图3-4是按键抖动示意图：

图3-4按键抖动示意图

为使STC12LE5410AD单片机能正确地读出P1.3口的状态，对每一次按键只作一次响应，就必须消除抖动。

而消除抖动的方式有硬件消除和软件消除两种。

本设计采用软件方法去消除抖动，它通过设置延时定时器的延时时间以达到消除键盘抖动的目的。

在单片机获得P1.3口为低的信息后，不立即认定键盘已被按下，而是经过一个延时后再次检测P1.3口，如果仍为低，说明键盘被按下了。

这就消除了按键按下时前沿的抖动对单片机正确判断按键造成的影响。

本设计的键盘扫描程序如下所示：

ScanKey:

SETBKeyRow;置P1.3为高电平

MOVData_OutputBuf，#00H

LCALLData_Output

MOVA，P1

JBACC.3，NoKey;判断是否有键按下，

没有的话继续扫描，当有的话延时

LCALLDelay45ms;软件消抖

MOVA，P1

JBACC.3，NoKey;键盘行还为0，则取键值

MOVArrangeNum，#00H;将键盘列号置为0

MOVScanValue，#07FH;列扫描

MOVScanValue，#0FEH

GetKey1: