基于单片机的智能稳压电源的设计.docx

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基于单片机的智能稳压电源的设计

题目：

基于单片机的智能稳压电源的设计

指导教师：

职称：

讲师

参考文献..............................................................39

摘要

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备离不开可靠的电源，各种电子电器设备对稳压电源的性能要求日益增高，稳压电源的智能程度也变得越来越高.

本设计介绍了基于AT89C52单片机的数字化控制的开关稳压电源，以高性能单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测和控制软件支持下，调整和控制开关电源的工作状态.数字化可调稳压电源，输入采用键盘方式，输出电压和限定电流采用数码管显示，稳定性好，精度高，成本低，其性能优于传统的可调直流稳压电源，大大改善了传统的稳压电源的性能，简单易用，非常适合一般的教学和科研使用.

关键词:

单片机、开关电源、稳压

Abstract

Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,applicationofelectronicsystemsbecomesmoreandmorewidely,typesofelectronicequipmentbecomemuchmore.Electronicequipmenthascloserrelationshipwithpeople’sworkandlife,andtheelectronicequipmentcannotdowithoutreliablepower,variouselectricalandelectronicequipmenthashighperformanceonpowersupplyrequirements,powersupplyarebecomingmoreandmoreintelligent.

ThedesignintroducedigitalcontrolofswitchingpowersupplybasedonAT89C52microcontroller,withthehighperformancesinglechipasthecontrolcore,makeupdataprocessingcircuit.Withthesupportofdetectionandcontrolsoftware,adjustandcontroltheworkstateofswitchingpowersupply,digitalcontrolofswitchingpowersupplyusethekeyboardtoinput,outputvoltageandlimitedcurrentusedigitaltubetodisplay.Ithasreliablestability,highprecision,lowcost,itsperformanceisbetterthantraditionaladjustableDCpowersupply，greatlyimprovetheperformanceofthetraditionalregulatedpowersupply.Itiseasytouse,inadditionitisverysuitableforgeneralusefulinteachingandresearch.

Keyword:

single-chipmicrocomputer、switchingpowersupply、regulators

第1章前言

1.1研究的目的和意义

直流稳压电源是一种常见的电子仪器，应用于电子电路、教学实验等领域.目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性差，操作使用起来不方便，自我的保护功能不够，因而发生故障的几率高.随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化、高效率、低成本、高可靠性、低电磁干扰、模块化和智能化方向发展，以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了模拟电路的要求.

1.2国内外研究状况

在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期.一方面，电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究.但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:

在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多.

1.3研究方法及内容

本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点.智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制.数字化主要是指系统输出电压通过7段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节.模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性.

本设计介绍了基于单片机控制的开关稳压电源，以高性能单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测和控制软件支持下，调整和控制开关电源的工作状态.

第2章开关稳压电源的原理及实现方法

2.1开关电源的介绍

电是工业的动力，是人类生活的源泉，电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等，在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标.我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换成小功率等.

开关电源是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关输出脉冲信号的占空比调整输出电压.以功率晶体管（GTR）为例,当开关管饱和导通时，集电极和发射极俩端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零.开关型稳压电源直接从电网电压进行整流、滤波、调整.开关型电源不同于线性电源供应器，一个开关电源晶体管之间快速切换非常全面的和全关闭状态，最大限度地减少浪费能源.所以，电路功耗很小，效率可达到80%-90%,比普通线性稳压电源提高了近一倍，故开关电源被誉为高效节能型电源

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，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成.开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异.线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点.随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间.

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式.目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS－FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高.要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件.然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声.这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性.其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器.不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生.这种开关方式称为谐振式开关.目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式.当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究.

2.2开关电源的分类

现在的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展.开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题.以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述.

2.2.1DC/DC变换

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）.其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同.

（2）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.

（3）Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，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.

（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，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.

　　当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%.日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200~300）kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%.

2.2.2AC/DC变换

　　AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”.AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度.

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路.按电源相数可分为单项、三相、多相.按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限.

2.2.3电路结构

开关型稳压电源的结构有多种.

（1）．按激励方式分，自激式和他激式.

（2）．按DC/DC变换器的工作方式分，有单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式以及升降压式.

（3）．按控制方式分，有脉冲调宽式（PWM）、脉冲频率式（PFM）和PWM与PFM混合式.

2.3开关式稳压电源的基本工作原理

2.3.1开关电源的控制方式

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型.因此下面

就主要介绍调宽式开关稳压电源.

图2.1调宽式开关稳压电源的基本原理

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高.直流平均电压Ｕ.可由公式计算，

    即Uo=Um×T1/T（2.1）

式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度.

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比.这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压

的目的.

2.3.2开关式稳压电源的原理电路

（1）、基本电路

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压.

 控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成.这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路.控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的.

开关式稳压电源的基本电路框图如图2.2所示.

图2.2开关电源基本电路框图

     2．自激式开关稳压电源

      自激式开关稳压电源的典型电路如图2.3所示.这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一.

图2.3  自激式开关电源

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和.与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载.在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去.这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压.自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路.电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点.这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源.

3．推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图2.4所示.它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧.电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压.

图2.4推挽式开关电源

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压.电路的输出功率较大，一般在100-500Ｗ范围内.

4．降压式开关电源

    降压式开关电源的典型电路如图2.5所示.当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加.当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变.电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定.

图2.5降压式开关电源  

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现.

5．升压式开关电源

    升压式开关电源的稳压电路如图2.6所示.当开关管VT1导通时，电感Ｌ储存能量.当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源.

图2.6升压式开关电源

6．反转式开关电源

    反转式开关电源的典型电路如图2.7所示.这种电路又称为升降压式开关电源.无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作.

图2.7反转式开关电源

当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电.当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电.

 7．单端正激式开关电源

    单端正激式开关电源的典型电路如图2.8所示.这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同.当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3继续向负载释放能量.

图2.8单端正激四开关电源 

    在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间.为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50％.由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200Ｗ的功率.电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少.

8.单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图2.9所示.电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧.所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量.

       图2.9单端反激式开关电源

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率.唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载.

在反激式变换器中，一般有两种工作模式：

完全能量转换型（电感电流不连续）和不完全能量转换型（电感电流连续）.这两种工作方式的小信号传递函数是极不相同的，动态分析时要作不同处理.当变换器输入电压在一个较大范围内发生变化，或负载在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式.因此反激式变换器常要求能在完全和不完全能量转换方式下稳定工作.

  单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间.由于电路简单，且能高效提供直流输出，对多路输出特别有效，不需要接输出滤波电感，使反激变换器成本降低，体积减小.因此广泛用于电力电子装置的内部电源.所以本设计采用单端反激式开关电源.

第3章硬件设计

3.1方案论证与设计

3.1.1系统整体方案论证

方案一：

采用A/D电压放大器直接输出.电路简单，但是输出电压带负载能力不强，电源电压不稳定.

方案二：

此用PWM调制的开关电源输出，输出电压稳定，并且提供负载能力强，综上所述，采用方案二.

3.1.2控制方法及实现方案

手动输出电压调节采用电位器改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，使其满足题目要求，该方案电路结构简单，实现方便.

键盘设定通过单片机改变模拟开关接通通道，选取取样回路的电阻节点位置，改变取样回路的上下比电阻比值来改变输出电压，实现键盘控制功能.

3.1.3提高效率的方法及实现方案

在DC-DC变换器中，主要消耗功率的元件有主回路的开关管、续流二极管、储能电感等部件.由UC3842设计的DC-DC升压电路直接用误差信号控制电感峰值电流，间接地控制PWM脉冲宽度，达到控制输出端电压的目的.

本设计中提高效率的措施主要有：

通过增加电感线径减小电感阻值；采用低内阻的高效率MOSFET作为主回路的开关元件；采用高速低正相压降的肖特基二极管降低其功耗.

3.2整体设计框图及工作原理

3.2.1整体设计框图

直流稳压电源是一种常见的电子仪器，应用于电子电路、教学实验等领域.目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高.随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化、高效率、低成本、高可靠性、低电磁干扰、模块化和智能化方向发展.以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求.智能型稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠.输出电压和限定电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作方便，具有较高的使用价值.

硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、正负压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分原理框图如图3.1所示.

本设计的功能有：

（1）计算控制产生所需要的PWM波形；

（2）通过比较预设电压值与测量所得的电压值调整PWM波形直到满足要求；

（3）控制系统AD/DA芯片正常工作；

（4）基本键盘功能和LED显示.

本智能稳压电源以开关电源为基础电路,以高性能单片机为控制核心,组成数据处理电路,在检测与控制软件支持下,通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较,从而调整和控制开关电源的工作状态,同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小.整体设计框图如图3.1所示

图3.1整体设计框图

3.2.2整体系统工作原理

本研究设计的技术指标为：

在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：

（1）输出电压UO可调范围：

30V～36V；

（2）最大输出电流IOmax：

2A；

（3）U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；

（4）IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；

（5）输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

（6）DC-DC变换器的效率h≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

（7）具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A；

（8）能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能.

本设计以单片机为核心,一边监测键盘一边显示当前输出电压值,并向模拟开关输出当前设定值.当键盘中控制输出电压的增减键被按下时,单片机就会对设定值进行相应的增减操作,并将修改之后的设定值送给模拟开关,更新输出电压为当前设定值.该智能型稳压电以开关电源为基础电路，以AT89C52单片机为控制核心,组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下