基于单片机控制的开关电源设计.docx

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基于单片机控制的开关电源设计

摘要:

开关电源是当代电子科技技术的产物，用于达到输出电压的稳定，开关电源主要是通过改变脉宽调制（PWM）进行输出电压的改变。

它是一种电力电子装置，广泛应用于各种电子设备、工业、通信、航天航空以及军事等领域。

具有输出电压稳定、噪音小、小型化和轻型化等特点。

为了设计并实现一个单片机控制的开关电源，可以通过软件编程让单片机输出一个PWM波形给双运算放大电路，双运算放大电路对PWM波形进行变换调压，反馈到DC-DC降压电路进行降压和稳压后输出所需要的电压。

输出电压可以通过按键调节，调节范围在0至25V，电压调节幅度为0.5V，由液晶显示屏实时显示。

单片机控制开关电源，实现电源的智能化，具有输出电压范围大、电压可调和输出电压实时显等优点。

关键字：

开关电源,单片机,PWM波形,调节，智能化

第一章概述

开关电源是改变开关管的通断的时间比较来控制输出电压的大小的电力电子器件。

随着世界科技的快速发展，开关电源成为了人们生命中不可缺少的必需品，其应用于工业、农业、通信、航空和计算机等领域，具有高效率转换、重量小、小体积和高精度等特点。

传统的开关电源系统存在调整之繁琐，电路很繁琐，可靠性低等问题，本文通过对单片机进行编程实现开关电源的有效输出，具体是将常用电源220V交流电通入变压器转换成24V的交流电，经过整流电路得到直流信号，通过电容滤波得到相对干净的直流电分别接入两个LM2596S-ADJ芯片，一个是构成DC-DC降压型电路，一个是构成5V稳压电路，前者是控制输出电压的，后者是给单片机和液晶显示屏供电的。

输出电压的大小由PWM控制，将PWM波形送到PWM调压电路，进行稳压和调压，并反馈到DC-DC降压电路后输出。

按键能控制输出电压的大小，输出电压能在0-25V范围里可连续调节，步加步减在0.5V，复位按键可以是输出电压恢复到5V，并由液晶显示屏显示。

单片机控制开关电源，具有灵活性好的优势，可根据设计人员的想法进行设计。

电子设备越来越小型化是未来的发展趋势，由于传统的开关电源电路的复杂性，如果以单片机为控制核心，则可以大大简化电源结构的复杂性，产生更小的电源变得可能，使用单片机可以扩展电压显示的实现，可以随时控制电压的大小，更容易维护。

因为国内可以专门输出PWM波的单片机价格很高，一般的单片机引脚口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远小于所需的标准，因此单片机控制开关电源运用不多，而由单片机控制具有更多的控制和更多的可扩展性等，而正是这些必将是未来开关电源发展的发展方向。

因此，探究单片机控制开关电源，具有极大地挑战。

本文将运用51单片机对开关电源进行控制，因为原先选考虑在51单片机和STM32单片机两者中选择，起初认为51单片机存在运算处理速度不够快，达不到设计要求，所以决定用STM32，但由于查询到用STM32单片机编程极其复杂，系统方案和硬件电路难度会有所增加。

吸取教训，本文最后还是决定选用51单片机，可以达到设计要求，实现研究意义。

开关电源的功率晶体管处于闭合状态时，当开关速度提高后，会因电路中的电感、电容成分以及二极管中储存的电荷的影响而产生较大的浪涌影响和噪音影响，也会因输入电压和电流通过电路中的元器件影响产生较强的尖端峰值扰动和谐率波信扰动，这些干扰可能会损坏电路器件，同时污染居民用电。

在开关状态下切换功率晶体管的电源，由于电路构成中的电感和电容以及存储在二极管中的电荷的影响，开关速度增加，从而产生更大的浪涌和噪声，将通过输入电压和电流在电路中的元器件会影响强峰值干扰和谐波干扰，干扰可能会损坏电路，同时会居民用电产生影响，影响设备的正常工作。

即使可以有一些行为进行制止，但由于水平有限，在这方面还是很难突破。

于是，在设计制作过程中要着重留意噪声产生问题，并对其有效解决。

1.1开关电源的新技术

1.1.1高频化

随着微处理器的规模越来越大，电源电压的范围已经不能满足用户的需求。

逐渐电源电压范围广，电源结构紧凑等成为了电源发展的趋势。

为了实现这一目标，开关电源频率的提高是关键。

根据理论和实践证明，电器产品的体积、重量和频率的增加都是成反比的[1]。

也就是说，随着开关电源频率的越来越大，从50赫兹升高到几千或几十千赫兹时，电子设备的体积和重量就会明显变小。

但随着频率的升高也会出现问题，如PCB板的结构会变得越来越复杂，电源的功率器件调整困难和发热过热问题等会变得麻烦，因此开关电源的频率不能无限大。

1.1.2软开关技术

功率转换器自1950年以来一直在开发和应用。

这是一个硬开关技术，所谓的硬开关意味着当电源开关打开和闭合时，开关管上的电流或电压不是零[2]。

在这个过程中会出现重合，所以开关损耗很大，电压和电流变化很快，波形就会失真，开关噪声也就会进一步加大。

而软开关技术在开关过程前后引入谐振，使得开关前后的电压降为零，在关断电流为零之前，可以去除开关过程中的电压大小和电流大小重叠现象，并能降低其变化率，以至于降低甚至消除开关过程中的损耗问题。

于是，开关调节中的电压与电流的转换率由谐振线处理，使其产生的噪音大大降低。

1.1.3数字化

电源数字化控制就是由模拟和数字共同控制，模块控制进入全数字控制阶段已经是一种全新的发展方向，必然成为发展趋势，在许多电力转换设备中就已经得到全面的应用。

可是在过去几年间，人们将数字控制在直流-直流转换器中使用较少[3]。

但从最近两年看来，高性能数字控制芯片的功率已经全面开发，制作成本也已经降低到一个人们能接受的水平，美国等发达国家已经有不少公司开发生产转换器控制芯片的开关和软件,全数字控制的优点是数字信号可以小于混合模块信号，芯片便宜[4]。

利用电流检测误差可以使电路准确，而利用电压检测更为准确，都能够实现快速又灵活的控制要求。

1.2开关电源发展背景及发展现状

开关电源已经发展了几十年。

20世纪50年代中期，由美国科学家发明了直流变换器，实现了高频变换控制。

20世纪50年代后期年出现了自激变压器;20世纪60年代中期年创造了工频变压器开关电源，极大地推动了开关电源技术的发展。

在20世纪70年代末，引入了脉宽调制控制器集成电路。

20世纪末开始引入单片机控制开关，为开关电源的流行和发展提供了机遇[5]。

由于开关电源的迅速发展，得到国家越来越大的重视，于是国家就提出开关电源的节能低碳政策，因此开关电源得到了越来越全面的覆盖。

开关电源的频率大小从最早的15kHz到目前的几KHZ甚至几兆赫兹，每一次提升都是巨大的跨越。

目前，开关电源向实现节约能源追求高效率的目标发展，小型化、便捷化、高频率化、高效率化、数字化等成为开关电源发展趋势。

人们生活水平质量的提高，对物质精神方面的需求也增大，开关电源的创新发展对人类生活有极其重要的作用。

现在开关电源有超小功率、较小功率、超大功率和输出线路多等开关电源，超小功率、较小功率开关电源输入电压有220V，输出电压有5V、8V、11V、13.8V、15V、18V、24V、28V、48V和60V。

功率大的开关电源输入电压有220V和380V，输出电压是在前者的基础上多了110V、150V和220V。

目前中国开关电源产业产值已达1172亿元[6]。

因为电子电力技术的迅猛发展，为了适合人类需求，必须对开关电源有创新才能继续发展。

随着其小型化，重量轻，范围宽的输入电压和使用广泛的开关电源，已经越来越流行[7]。

1.2.1PID控制开关电源

随着电子技术的发展，电子设备的需求越来越大，与之相适应，要求开关电源的性能也越大，就要提高设备的可靠性和适应性。

在开关电源发明中，到目前为止，PID控制的开关电源占有相当大的一部分。

这是因为由PID控制的开关电源具有结构简单可靠，容易实现，可控性能好和鲁棒性强等特点[8]，算法原理简单明了，参数的物理意义明白确切，理论分析体系相当完整，调节系统的方式简单直接，所以应用广泛，为广大相关工程师所熟悉并接受。

因为模拟PID控制的开关电源电路性能存在着诸多问题和不足，为解决这些问题，提出了更有优越性的数字PID控制，具有更好的灵活性，电路明了、调整较简单、可靠性很高等的特点。

所以数字PID控制技术发展越来越迅速。

1.2.2可编程开关电源

可调的开关电源就是通过对电阻进行调节，改变稳压芯片的输出电压值，有很多缺陷：

比如精度极低、不方便使用等。

而可编程开关电源就弥补了这些缺陷，将运用到数字化电位器，直至由计算机控制，有极大地发展意义，发展前景大，适合现代科技[10]。

1.3研究内容

现在科技越来越发展，都趋向于便捷化，于是开关电源的发展就越来越快速。

经查资料得到，普通的稳压电源虽然具有较大的输出电压范围，但存在稳定性不高，电压不稳定的状况，考虑到这些原因，于是就提出了利用单片机编程控制，缓解这些问题。

再次普通的开关电源的输出电压存在一定的噪音[13]，不能实时显示输出电压值，必须要用万用表进行测量才能知道电压值，存在一些缺陷，所以开关电源的性能及其指标有待提高，所以本文将对其进行改进，设计出一个由STC89C52单片机控制的步进为0.5V左右的，输出电压可调范围在0V到25V的开关电源，可以实现对可调电压范围进行扩大，并且可以由1602液晶显示屛显示电压，具有噪音小，电压稳定误差小，输出纹波小等的特点。

需要深入掌握开关电源的设计原理，需要深入研究和探讨开关电源的硬件组成模块并画出各个电路图，包括主电路拓扑的结构及控制主电路。

也需要研究掌握单片机软件编程方法，本设计由STC89C52单片机完成控制实现设计要求。

1.4章节安排

本论文按照如下的方式安排章节：

第一章是概述，包括课题的背景来源、电源新技术的分类以及发展和系统基本要求等。

第二章是介绍系统的方案设计，包括开关电源的原理，线性电源和开关电源的比较，设计中遇到的问题以及难点等。

第三章是写硬件电路设计模块，主要涉及了电源主电路设计和控制电路，将对各个电路模块进行介绍。

第四章是软件设计模块，包括各个子程序的原理介绍和原理框图等。

第五章进行描述设计实物最后调试的结果，包括输出电压是否达到范围等。

1.5系统基本的要求

（1）理解开关电源原理，设计、制作出符合要求的开关电源。

（2）按要求利用STC89C52单片机控制开关电源，调节按键改变电压的输出值，液晶显示屛能够显示输出电压值，得到想要的电压值，实现要求。

（3）理解开关电源的制作原理，对设计有一些深入的见解和一定的创新。

（4）掌握STC89C52型单片机的软件编程思想。

（5）掌握系统调试测量，要求列出输出电压表和输出纹波图。

第二章系统方案设计

2.1开关电源工作原理

开关电源是工作原理很简单，就是对开关管进行控制，然后使其不断地进行“开路”和“闭合”，改变对输入电压的脉冲宽度，对占空比进行反馈对比，达到所需时进行输出，一般输入输出都需要有整流滤波电路。

本设计将运用内部有类似开关管的开关电压调节器、双运算放大器等芯片实现输出电压范围调节输出。

在正常时稳压电压为5V,通过单片机的程序控制，进行占空比与周期比较后改变PWM信号，在PWM调压电路中进行调压，反馈到DC-DC降压电路后进行稳压输出。

如图2-1是此开关电源的原理设计主框图。

图2-1开关电源原理框图

2.2开关电源与线性电源的比较

2.2.1线性电源的简介及优缺点

线性电源是一种不需用到开关管的输出也为直流电压的电源。

其原理是交流电输入，经过变压器的变换压降，得到较低的电压，然后利用整流电路得到直流电，最后经过滤波能够获得直流电压，具有较小的电压纹波。

虽然线性电源有稳定的性能，较小的电压纹波等优点。

但由于线性电源的缺点诸多:

（1）体积大、重量大，不方便携带。

（2）发热严重、能源利用率低、功耗大，效率一般在40%左右。

（3）需要较大容量的滤波电容[12]。

缺点分析：

由于要用到又大又重的变压器，也要用到容量大的滤波电容，容量大，体积也就增大，并且运行是处于线性状态，调节管上有一定的电压降，输出电流会增大，消耗极大的能量，