畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源

1、廣西工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 課題名稱課題名稱 基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源 系 別 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 班 級(jí) 電子 z071 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2011 年 5 月 20 日 摘要 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率開關(guān)管（mosfet；三極管）的導(dǎo)通和關(guān) 斷的時(shí)間比來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。它是在電子、計(jì)算機(jī)、通信、電氣、 航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種電力電子裝置。具有電能轉(zhuǎn)換效 率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點(diǎn)。 本次設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)單片機(jī)控制開關(guān)電源，開關(guān)電源在日常生活中應(yīng)用 非常廣泛，如今是數(shù)字化

2、時(shí)代，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品十分方便，所以在這次設(shè)計(jì)中 使用了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。在這次設(shè)計(jì)文檔中，詳細(xì)闡述了開關(guān)電源與線性電源的比較，方 案論證，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過鍵盤預(yù)置期望輸出電壓值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓進(jìn)行 采樣，由軟件控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖寬度，對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出預(yù)期 的電壓。并采用 pid 算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構(gòu)成可輸出 0v 到 12v 的可調(diào)電壓，并顯 示實(shí)時(shí)電壓和預(yù)置值。 關(guān)鍵字：開關(guān)電源 半導(dǎo)體 pid 算法 閉環(huán)控制 數(shù)控 summarysummary switching power supply is to use the power of modern elec

3、tronic technology to control power switch (mosfet; transistor) on-and off time than to stabilize the output voltage of a new power supply.it is in electronics, computers, communications, electrical, aerospace, military and home appliances, is widely used as a power electronic devices.with high power

4、 conversion efficiency, small size, light weight, high control accuracy and fast and good. the design of the main aim is to realize a single-chip microcomputer control switch power supply, switching power supply in daily life are widely used in digital times, is microcontroller is used electronic pr

5、oducts, very convenient, so in this design uses a microcontroller. in this design documents, this paper expounds the switch power compared with linear power supply, scheme comparison, general structure design, through the keyboard expected output voltage values, preset d/a converter for output volta

6、ge by sampling, the corresponding software control microcontroller output pulse width, switch power for pulse width modulation, the voltage output expected. which constitutes the output 0v to 12v adjustable voltage, and display real-time voltage and the preset value. keykey word:word: switchswitch p

7、owerpower semiconductorsemiconductor pidpid algorithmalgorithm closed-loopclosed-loop controlcontrol cnccnc 目 錄 緒論 .1 1 概述 .2 1.1 課題背景來源 .2 1.2 電源技術(shù)的發(fā)展與方向 .3 1.3 系統(tǒng)基本要求 .6 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .6 2.1 開關(guān)電源工作原理 .6 2.2 開關(guān)電源與線性電源的比較 .7 2.3 系統(tǒng)方案論證 .8 2.4 系統(tǒng)難點(diǎn)分析.10 2.5 控制技術(shù)選擇 .12 2.6 開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇 .14 2.7 開關(guān)電路器件參數(shù)選擇 .

8、16 3 硬件電路設(shè)計(jì) .18 3.1 電源電路設(shè)計(jì) .18 3.2 控制電路設(shè)計(jì) .21 4 軟件設(shè)計(jì) .24 4.1 總體編程思想 .24 5 系統(tǒng)調(diào)試 .29 5.1 硬件模塊調(diào)試 .29 5.2 電源性能指標(biāo)的測試 .30 6 結(jié)論 .33 謝 辭 .34 參考文獻(xiàn) .35 附錄一 系統(tǒng)原理圖 .36 1 緒論 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率開關(guān)管（mosfet；三極管）的導(dǎo)通和 關(guān)斷的時(shí)間比來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。它是在電子、計(jì)算機(jī)、通信、電 氣、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種電力電子裝置。具有電能轉(zhuǎn) 換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等

9、優(yōu)點(diǎn)。 本文中研究的單片機(jī)控制開關(guān)電源，可以通過鍵盤預(yù)置期望輸出電壓值，模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，由軟件控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖寬度，對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行 脈寬調(diào)制，輸出預(yù)期的電壓。并采用 pid 算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構(gòu)成可輸出 0v 到 15v 的可調(diào)電壓，并顯示實(shí)時(shí)電壓和預(yù)置值，通過鍵盤可隨時(shí)修改 pid 參數(shù)以優(yōu)化控制 效果。 單片機(jī)控制的開關(guān)電源具有設(shè)計(jì)彈性好的優(yōu)點(diǎn)，可以按照設(shè)計(jì)者的思想靈活的工 作。目前電子設(shè)備的日益小型化需要供電電源的小型化，這樣制作小型化電源是未來 電源制作的一個(gè)趨勢，傳統(tǒng)開關(guān)電源線路一般很復(fù)雜體積也較大，如果使用的單片機(jī) 作為控制核心必將可以大大簡化電源的結(jié)

10、構(gòu)，制作更加小的電源將成為可能，并且使 用單片機(jī)可以擴(kuò)展許多功能，如顯示，實(shí)時(shí)控制調(diào)整電壓，可維護(hù)性強(qiáng)，由于目前國 內(nèi)有專門的 pwm 輸出的單片機(jī)價(jià)格昂貴，普通的單片機(jī) i/o 口模擬的脈寬頻率較低， 速度較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代電源要求的工作頻率，所以目前單片機(jī)控制的電源使用并 不廣泛，但是單片機(jī)在智能化以及可實(shí)現(xiàn)的用戶友好界面，擴(kuò)展性強(qiáng)等等方面的優(yōu)勢 使其成為未來電源重要的發(fā)展方向。因此，我們研究單片機(jī)控制的開關(guān)電源，非常有 現(xiàn)實(shí)意義。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)大的大規(guī)模 集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、 體積更小、重量更

11、輕的開關(guān)電源，使之能滿足電子設(shè)備的日益小型化的需要。這是未 來開關(guān)電源設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的第一個(gè)問題。 開關(guān)電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的，要進(jìn)一步提高開關(guān)電源的效率， 就要提高電源的工作頻率。但頻率提高后，對(duì)整個(gè)電路中的元器件又有了新的要求。 進(jìn)一步研制生產(chǎn)出適合于高頻工作的開關(guān)管、高頻電容、開關(guān)變壓器、儲(chǔ)能電感等元 器件是開關(guān)電源設(shè)計(jì)所面臨的另一個(gè)問題。 在開關(guān)電源中，由于功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)速度提高后，會(huì)受到電 路中分布電感、電容成分或二極管中儲(chǔ)存的電荷的影響而產(chǎn)生較大的浪涌和噪聲，其 交變電壓和電流會(huì)通過電路中的元器件產(chǎn)生較強(qiáng)的尖峰干擾和諧波干擾，這些尖峰電 壓或電流可能

12、會(huì)損壞電路的器件，同時(shí)污染市電電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器與設(shè)備的 在正常工作。雖然也可以采取一些抑制干擾的措施，在一定程度上降低這些干擾的影 響，但目前階段的精密電子儀器中，仍難以使用開關(guān)電源。因此，克服開關(guān)電源產(chǎn)生 2 的各種噪聲干擾，是我們要努力解決的第三個(gè)問題。 1 概述 1.1 課題背景來源 開關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。1955 年發(fā)明的自激推挽式晶體管單變壓器直流 變換器，率先實(shí)現(xiàn)了高頻轉(zhuǎn)換控制功能；1957 年發(fā)明的自激推挽式雙變壓器，1964 提 出的無工頻變壓器式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，有力地推動(dòng)了開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)步。1977 年脈 寬調(diào)制（pwm）控制器集成電路的問世，1994 年單

13、片開關(guān)電源的問世，為開關(guān)電源的 推廣和普及創(chuàng)造了條件。與此同時(shí)，開關(guān)電源的頻率也從最初的 20khz 提高到幾千赫 茲至幾兆赫茲。目前，開關(guān)電源正朝高效節(jié)能，安全環(huán)保、短、小、輕、薄的方向發(fā) 展。各種新技術(shù)、新工藝和新器件如雨后春筍，不斷問世，開關(guān)電源的應(yīng)用也日益普 及。 當(dāng)代許多高新技術(shù)均與市電的電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參數(shù)的變 換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能 夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。因此， 電源技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技 術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將

14、為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提 供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠(yuǎn)的影響。 1.1.1 綠色節(jié)能型開關(guān)電源 目前，國外許多著名的 ic 廠家都在大力開發(fā)低功耗，節(jié)能型開關(guān)電源集成電路。 例如，美國 pi 公司采用 ecosmart 節(jié)能技術(shù)，開發(fā)的 topswitch-gx 等系列的單片開關(guān) 電源。pi 公司最近宣布，由于使用該公司 ecosmar 技術(shù)的單片開關(guān)電源 ic，可為全球 消費(fèi)者節(jié)約大約 20 億美元大的電費(fèi)。荷蘭 philips 公司推出的 tea1520 等系列的綠色 芯片，都將高效節(jié)能放在重要位置。與此同時(shí)，綠色節(jié)能電源的國際標(biāo)準(zhǔn)也被普遍采 用。例

15、如，美國早在 1992 年就制定了“能源之星”計(jì)劃，以降低開關(guān)電源的空載功耗。 美國加州能源委員會(huì)（cec）制定的強(qiáng)制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)已從 2006 年 7 月 1 日開始執(zhí)行， 它要求電子產(chǎn)品必須大幅降低待機(jī)功耗和空載功耗。 1.1.2 智能化數(shù)字電源 21 世紀(jì)初問世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良特性和完備的監(jiān)控功能，越來越引起 人們的關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控，處理并適應(yīng) 系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復(fù)雜的電源要求。此外，數(shù)字電源還可以通過遠(yuǎn)程診斷 3 來確保系統(tǒng)長期工作的可靠性，包括故障管理，過電流保護(hù)以及避免停機(jī)等。數(shù)字電 源的推廣，為實(shí)現(xiàn)智能化電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)

16、造了有力條件。 數(shù)字電源的特點(diǎn)有下面幾點(diǎn)。它是以數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）或微控制器（mcu） 為核心，采用“整合數(shù)字電源”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組 合。能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù) 指標(biāo)。便于構(gòu)成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)。 1.1.3 可編程開關(guān)電源 可調(diào)式開關(guān)電源都是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值來改變穩(wěn)壓器輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精 度低，而且使用不夠方便，數(shù)字電位器（digital potentiometer）亦稱數(shù)控電阻器 （digitally controlled potentiometer） ，可簡稱為 dcp。利用數(shù)字電位器代替可調(diào) 電阻

17、，可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制的可編程開關(guān)電源。 傳統(tǒng)電源存在不足的地方，例如，傳統(tǒng)電源效率不高，線性電源由于功率管是工 作在線性放大狀態(tài)，功率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當(dāng)輸出電流越大時(shí)， 功耗就越大。通常，線性電源效率只有 45%到 50%左右，因此提高電源效率是未來電 源設(shè)計(jì)，應(yīng)著重解決的問題，而開關(guān)電源能夠很好的解決這個(gè)問題，開關(guān)電源的功率 開關(guān)管是工作在開關(guān)狀態(tài)的，也就是，只是在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，管子才會(huì)產(chǎn)生損耗，因 此開關(guān)電源的效率比線性電源要高得多，通?？梢赃_(dá)到 80%以上，本設(shè)計(jì)選擇開關(guān)電 源作為研究對(duì)象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關(guān)系，假定輸入基本穩(wěn)定， 利用單片機(jī)控制占空

18、比，就可以控制輸出電壓，通過 a/d 轉(zhuǎn)換，采樣輸出電壓，使用 lcd 顯示，通過鍵盤預(yù)置電壓，實(shí)現(xiàn)可調(diào)開關(guān)電源的制作。 1.2 電源技術(shù)的發(fā)展與方向 1.2.1 線性電源和開關(guān)電源 線性穩(wěn)定電源，其特點(diǎn)是:它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電 壓降來穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。 線性電源的主要問題在于：輸出精度低、效率低、散熱問題大以及很難在一個(gè)通用的 輸入電壓范圍內(nèi)工作，但最主要的缺陷還是在體積和重量上。通過輸入調(diào)整器可以使 輸出精度增加，但這更增加功率消耗，并使效率更低。線性電源要達(dá)到 50%的效率就不 容易了，這些白白消耗掉的功率還

19、帶來散熱問題。如果要使線性電源在一個(gè)通用輸入 電壓范圍(85v265vac)工作，會(huì)導(dǎo)致線性電源的效率更低。 開關(guān)電源就是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，它的電路形式要有單端反激式、單端正激式、 半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它的變壓器不工作在工頻上， 而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲頻率上。功率開關(guān)管工作在飽和區(qū)截止區(qū)，即工作 在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)電源因此而得名。開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠。 4 多年來，由于技術(shù)上的障礙(高壓，大功率)，開關(guān)電源集成電路在集成化上一直因一 種電流模式 pwm 開關(guān)電源控制器的設(shè)計(jì)得不到很大的進(jìn)步。但是最近這幾年，大規(guī)模 和超大規(guī)模集成電路技術(shù)

20、的迅猛發(fā)展，能將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電 流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件。首先是功率 mosfet 的問世，導(dǎo) 致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管的出現(xiàn)，又為大中型功率 電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。因此目前可以通過集成復(fù)雜的功能電路來進(jìn)一步提高開關(guān) 電源的性能和安全性，這包括熱保護(hù)電路、限流電路、過/欠壓保護(hù)電路等。 通過上面的分析我們可以看到，與線性電源相比，開關(guān)電源輸出精度高，轉(zhuǎn)換效 率高，性能可靠。除此之外，開關(guān)電源最大的優(yōu)勢還在于能夠大幅縮小變壓器的體積 和重量，這是因?yàn)殚_關(guān)電源的變壓器工作于 50khz 到 1mhz 的高頻條件下，而不是像線

21、 性電源中的那樣工作于 50hz 的低頻狀態(tài)，因此縮小了變壓器的體積和重量，而這也就 縮小了整個(gè)電子系統(tǒng)的體積和重量。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、 電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。如果把工作頻率從工頻 50hz 提高 到 20khz，提高 400 倍，用電設(shè)備的體積重量可以下降至工頻設(shè)計(jì)的 5-10%，其主要材 料可節(jié)約 90%或更高。一般說來，開關(guān)電源的重量是線性電源的 1/4，相應(yīng)的體積大概 是線性電源的 1/3。因此，開關(guān)電源代替線性電源是大勢所趨1。 1.2.2 電源技術(shù)的發(fā)展方向 開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化、 小

22、型、薄型、輕運(yùn)化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國外目前都在致力 于同步開發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化， 并同時(shí)采用 smt 技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。 （1）高效 電源管理從以前的線性設(shè)計(jì)到當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，是高效電源發(fā)展的一種集中 體現(xiàn)。各國積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源規(guī)范，也是推動(dòng)高效節(jié)能電源、 低待機(jī)能耗產(chǎn)品應(yīng)用的主要?jiǎng)恿?。尤其是未來越來越多的中國產(chǎn)品將出口到國外，需 要滿足歐美等國的電源標(biāo)準(zhǔn)，這將促進(jìn)中國企業(yè)對(duì)高效電源的需求。對(duì)于便攜式電源 管理，效率尤為重要。 （2）低功耗 隨著各種整機(jī)設(shè)備市場規(guī)模的

23、不斷增長和社會(huì)對(duì)環(huán)保問題的日益重視，功耗問題 逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)，電源管理和電源控制市場成為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最為活躍的領(lǐng)域 之一，降低電子產(chǎn)品功耗這一需求，將推動(dòng)電源管理器件市場的穩(wěn)步發(fā)展。 （3）智能化 運(yùn)用電源管理程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)電控制也是非常有效而可行的方法，目前大多數(shù)筆記本， 普遍采用這種智能節(jié)電管理技術(shù)，它是利用軟件的方法對(duì)各主要耗電部件的用電狀態(tài) 控制，對(duì)暫不工作的部件減少甚至停止供電。 5 （4）高集成 便攜式應(yīng)用的空間十分有限，這就迫使電源供應(yīng)商把更多功能集成到更小的封裝 內(nèi)，或者把多路電壓轉(zhuǎn)換集成到單芯片封裝內(nèi)。在日益競爭的時(shí)代，提供高效整合體 積的解決方案勢在必行，且應(yīng)以整體電源方

24、案為用戶降低成本，提升效能與可靠度。 （5）多功能 2005 年，美國國家半導(dǎo)體公司(ns)宣布推出一款可為先進(jìn)應(yīng)用及通信處理器提供 供電的電源管理產(chǎn)品。它具有可編程的靈活性，可為采用 arm 技術(shù)的應(yīng)用及通信處提 供穩(wěn)定的供電。它的電源管理單元 flex pmu 是一個(gè)單芯片的解決方案，設(shè)有一個(gè)在一 起的供電區(qū)。 1.2.3 開關(guān)電源的市場前景和研究現(xiàn)狀 電源管理始終是模擬 ic 市場最亮的看點(diǎn)，占到整個(gè)模擬 ic 市場 31.2%的份額。據(jù) 研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，2008 年全球電源管理芯片銷售額將上升至 295 億美元，2003 年到 2008 年的年復(fù)合增長率為 12.7%，功率模擬器件將持續(xù)

25、強(qiáng)勁地增長，pc、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、 mp3 以及數(shù)字電視成為最主要的增長市場。從應(yīng)用領(lǐng)域看，電源管理芯片市場的焦點(diǎn)集 中在便攜式產(chǎn)品、消費(fèi)類電子、計(jì)算機(jī)、通訊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)工業(yè)設(shè)備、 汽車電子對(duì)電源管理芯片的需求也呈上升趨勢，這些需求讓電源管理芯片市場倍添活 力。由于人們?cè)谏詈凸ぷ髦械囊苿?dòng)性越來越強(qiáng)，對(duì)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、 mp3 播放器等便攜式產(chǎn)品的需求將越來越大，預(yù)計(jì) 2010 年全球所有便攜式產(chǎn)品的出貨 量將達(dá)到 45 億個(gè)，這些產(chǎn)品構(gòu)成了電源管理芯片巨大的需求市場。另外，由于便攜式 產(chǎn)品中彩屏、音視頻、gps 等功能的日益多樣化，對(duì)電源管理芯片的要求也日益提高， 如

26、便攜式產(chǎn)品的空間十分有限，這就要求電源管理芯片廠商把更多的功能集成在更小 封裝內(nèi)。 我國于 1974 年研制成功了工作頻率 10khz，輸出電壓為 5v 的無工頻降壓型開關(guān)電 源。近 20 多年來，我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號(hào)的工作頻率 在 20khz 左右，輸出功率在 1000w 以下的無工頻降壓型開關(guān)電源，并應(yīng)用于電子計(jì)算 機(jī)、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為 100khz-200khz 的高頻開關(guān)于上世 紀(jì) 80 年代初期己開始研制，90 年代初就已研制成功，并逐漸走向?qū)嵱秒A段進(jìn)一步提高 工作頻率。許多年來，雖然我國在開關(guān)電源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的

27、成 果，但是，目前我國的開關(guān)電源技術(shù)與一些先進(jìn)的國家相比仍有較大的差距。 我國的三極管直流變換器及開關(guān)電源的研制工作開始于 60 年代初期，到了 60 年 代中期進(jìn)入了實(shí)用階段，緊跟著 70 年代初開始研制無工頻變壓器開關(guān)電源。1974 年研 制成功了工作頻率為 10 千赫茲、輸出電壓為 5v 的無工頻開關(guān)電源。近 30 年來，許多 研究所、工廠及高校已研制出多種型號(hào)的開關(guān)電源，并廣泛的應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通 信、家電等許多方面，取得了很好的效果。工作頻率為 100 千赫茲-200 千赫茲的高頻 開關(guān)電源于 80 年代初期開始研制，90 年代初試制成功，目前已經(jīng)是非常成熟的電子產(chǎn) 6 品。按調(diào)制

28、方式劃分可以分為： （1）脈寬調(diào)制型：振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖的寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電 壓的大小。通過采樣電路、耦合電路構(gòu)成閉合回路，來穩(wěn)定輸出電壓?？s寫為 pwm(pulse width modulation)。 （2）頻率調(diào)制型：占空比保持不變或關(guān)斷時(shí)間不變，改變振蕩器的頻率來穩(wěn)定并 調(diào)節(jié)輸出電壓幅度?？s寫為 pfm（pulse frequency modulation） 。 （3）混合調(diào)制型：通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間的振蕩頻率來完成穩(wěn)定并輸出電壓幅度。 通常采用的是脈寬調(diào)制型和混合調(diào)制型兩種調(diào)制方式。在脈寬調(diào)制中因?yàn)轭l率不 變，所以無論是對(duì)電路中的磁性元件及晶體管的測試和設(shè)計(jì)都很方便，而且

29、對(duì)射頻干 擾的抑制也變得比較容易。混合調(diào)制則因其線路簡單，也得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)而 言，頻率調(diào)制較少采用。本文中采用的是脈寬調(diào)制型。 1.3 系統(tǒng)基本要求 （1）設(shè)計(jì)、制作開關(guān)電源； （2）使用單片機(jī)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤預(yù)置輸入電壓，可顯示預(yù)置電壓和輸 出電壓； （3）掌握開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法； （4）掌握單片機(jī)軟件編程方法； （5）掌握 pid 控制原理； 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1 開關(guān)電源工作原理 開關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開關(guān)方式，即導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)壓電源，縮寫為 sps（switching power supply） 。開關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變換器。利用直流 變換器可以把

30、一種直流電壓變成極性、數(shù)值不同的多種直流電壓。 圖 2.1 所示電路的工作過程為：假設(shè)基準(zhǔn)電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸入電壓 減小，那么輸出電壓也將會(huì)減少，此時(shí)，所采樣的電壓將減小，假設(shè)為 4.9v，誤差為 0.1v，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個(gè)誤差，提高占空比使輸出電壓增大， 同理，當(dāng)由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出電壓增大時(shí)，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減 小，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定。 7 整流 濾波 電路 開關(guān)管濾波電路 采樣電路比較放大脈沖調(diào)寬 輸出 輸入 基準(zhǔn)電壓 圖 2.1 開關(guān)電源原理框圖 按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關(guān)電源與線性電源兩大類。 線性電源是

31、發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。開關(guān)電源是在線性電 源的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，并在很大程度上克服了線性電源的缺陷，但其自身也有一 定的不足。 2.2 開關(guān)電源與線性電源的比較 2.2.1 線性電源的缺點(diǎn) （1）功耗大，效率低，效率一般只有 35%-45%；（2）體積大、重量大，不能小型化； （3）必須有較大容量的濾波電容。 造成這些缺點(diǎn)的原因是：（1）線性電源中功率晶體管 v 在整個(gè)工作過程中，一直 工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成正比。這 樣功率晶體管的功耗就會(huì)隨電源的輸出功率的增加而增大。為了保證功率晶體管能正 常工作，除選用功率大的管子外，還

32、必須給管子加上較大的散熱片。 （2）線性電源使 用了 50 赫茲的工頻變壓器，他的效率只有 80%-90%。這樣不但增加了電源的體積和重 量，而且也大大降低了電源的效率，就必須增大濾波電容的容量。 2.2.2 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn) （1）功耗小，效率高。圖 2.1 中，開關(guān)管 v 在脈沖信號(hào)的控制下，交替工作在導(dǎo)通- 截止和截止-導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在 50 到 200 千赫茲。這就使得 功率開關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達(dá)到 80%以上。 （2）體積小，重量輕。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關(guān)管上的耗散功率 大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關(guān)

33、電源的體積和重量都可以得到減小。 8 （3）穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號(hào)的占空比或者激勵(lì)信號(hào)的頻率來 調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大 變化或負(fù)載有較大變化時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓 效果好。 （4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。例如，若開關(guān)電源的 工作頻率為 25 千赫茲，是線性穩(wěn)壓電源頻率 500 倍（25000/50 赫茲） ，這使濾波電容 的容量可以相應(yīng)的縮小 500 倍，這使濾波電路中元件的體積和重量得以減少，同時(shí)也 節(jié)省了成本。 2.3 系統(tǒng)方案論證 單片機(jī)控制的開關(guān)電源，從對(duì)

34、輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。 2.3.1 方案 1 方案 1：單片機(jī)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)電壓，用作電源的基準(zhǔn)電壓，電源可以通過 鍵盤預(yù)置輸出電壓，單片機(jī)不加入反饋控制，電源仍要使用專門的 pwm 控制芯片，工 作過程為：當(dāng)通過鍵盤預(yù)置電壓時(shí)，單片機(jī)通過 d/a 芯片輸出一個(gè)電壓作為控制芯片 的基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓可以使得控制芯片按照預(yù)置電壓值，來輸出控制脈沖，以 輸出期望輸出電壓。 2.3.2 方案 2 方案 2：在方案 1 的基礎(chǔ)上，單片機(jī)擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不斷的檢測電源的輸出電壓， 根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值的差值，調(diào)整后，通過 d/a 芯片輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，控制 專門的

35、pwm 控制芯片，間接的控制電源工作。 2.3.3 方案 3 方案 3：單片機(jī)擴(kuò)展 a/d 轉(zhuǎn)換器，不斷檢測輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與 鍵盤預(yù)置電壓的差值，輸出一個(gè) pwm 脈沖，直接控制電源的工作。 2.3.4 方案分析 方案 1 分析：單片機(jī)沒有加入反饋控制，只是輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這樣單片機(jī)的 9 作用非常的小，而且仍要使用專門的控制芯片，價(jià)格比較貴，電源成本增加，削弱了 單片機(jī)的作用，不宜采用。 方案 2 分析：單片機(jī)加入了反饋控制，作用得以利用，但是需要擴(kuò)展 a/d 和 d/a 芯片，而且還是需要專門的 pwm 控制芯片，成本比方案 1 更高，更不宜采用。 方案 3 分析：這個(gè)

36、方案，單片機(jī)不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制核心， 單片機(jī)得以充分利用，而且省去了 d/a 芯片，成本大大降低，是真正的單片機(jī)控制。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇第三種控制方案，單片機(jī)使用 89c52，a/d 芯片采用 adc0804，采用 lcd 顯示采樣值，鍵盤預(yù)置電壓，設(shè)計(jì)任務(wù)要求輸出可調(diào)，所以設(shè)定值 需要從鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電壓。 2.3.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原理圖如圖 2.2 所示：市電經(jīng)過整流濾波后，一路電壓經(jīng)過 7805 穩(wěn)壓得 到一個(gè)+5v 電壓，該電壓作為單片機(jī)的工作電源，另外一路電壓直接作為開關(guān)變換電路 的輸入電壓。單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入值和取

37、樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出 控制功率開關(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵 盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用 pid 算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)變換器采用 磁鐵心電感作為儲(chǔ)能元件，在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，在開關(guān)管截止時(shí)，電感 釋放能量給負(fù)載。單片機(jī)定時(shí)采樣輸出端的電壓，通過 adc0804 送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行處理， 單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號(hào)，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號(hào) 控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要從鍵盤輸入期望的電壓， 單片機(jī)會(huì)根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應(yīng)電壓，更新脈 寬后，單

38、片機(jī)會(huì)馬上調(diào)用 pid 控制算法，對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時(shí)，電源自動(dòng)進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤預(yù)置的電壓變化時(shí)，先將鍵 盤輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設(shè)當(dāng)前鍵盤輸入為 10v，從輸出端取樣的值為 6v，差值為 4v，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這個(gè)差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為 10v；同樣， 當(dāng)鍵盤輸入為 6v，輸出端取樣值為 10v，差值為-4v，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)算法，將占空比減小 以使輸出電壓變小，這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程。 同時(shí)，電源可以自動(dòng)穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為 v0，反饋電壓問 vf（vf=v0） ，用戶設(shè)定電壓為 vs，當(dāng) v0=vs 時(shí)，偏差為 0，單片機(jī)不進(jìn)行脈寬更

39、新， 當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出增加時(shí)，即 v0vs 時(shí),單片機(jī)采樣的電壓也增加，單片機(jī)根據(jù)偏差 修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從而使電壓下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使輸出電壓下降時(shí)， 即 v0vs 時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使導(dǎo)通時(shí)間變長，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來進(jìn) 行穩(wěn)壓。 10 整流濾波電路開關(guān)變換電路整流濾波電路 控制電路 輔助電源 lcd 顯示 取樣電路 鍵盤 圖 2.2 單片機(jī)控制開關(guān)電源系統(tǒng)框圖 2.4 系統(tǒng)難點(diǎn)分析 2.4.1 如何提高電源工作頻率 困難分析： 現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以達(dá)到 300 千赫茲，本次設(shè)計(jì)雖然采用了 24m 赫 茲的晶振頻率，可以通過單片機(jī)定時(shí)輸出 40 千赫茲的頻率

40、，但是開關(guān)電源要求的是單 片機(jī)的處理速度要足夠快，51 系列的單片機(jī)，即使使用 24m 的晶振，相對(duì)于開關(guān)電源 需要很快開關(guān)工作頻率，它的速度仍是比較慢的，而且這里單片機(jī)還需要做采樣電壓， 掃描鍵盤，pid 控制等等很多的工作，那么單片機(jī)就更加慢了，就算忽略這方面的影響， 單片機(jī)可以通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲的頻率，但是定時(shí)器中斷產(chǎn)生的脈沖的有效 電平，即占空比是不能夠改變的，只能是 50%，要設(shè)計(jì)輸出可調(diào)的開關(guān)電源，顯然行不 通。 解決辦法： 現(xiàn)在的問題在于單片機(jī)輸出的脈沖占空比無法改變，硬件更改，只能是更換處理 速度高的單片機(jī)，但是成本又增加了，而且還不一定比使用專門的 pwm 控制

41、芯片的控 制性能可靠，所以在此選擇在軟件上解決，具體思路為：首先定義兩個(gè)變量，一個(gè)周 期 t，一個(gè)占空比 d，給它們賦值，t 大于 d，先讓單片機(jī) i/o 輸出高電平，讓 t，d 同 時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng) d 計(jì)算到預(yù)計(jì)值，i/o 口為低電平，然后低電平一直延續(xù)到 t 值時(shí)，i/o 口 輸出高電平。改變 d，t 的值可以改變脈沖頻率，改變 d 值可以控制占空比。算法需要 11 使用定時(shí)器，根據(jù)電源的工作頻率設(shè)定定時(shí)時(shí)間。 算法為： d=100，t=1000；/定義變量，并賦值，占空比為 100/1000=10% void tim0 ()/定時(shí)中斷 p1.0=1;/p1.0 輸出高電平 d+;/同時(shí)計(jì)數(shù)

42、t+; if（d=100）p1.0=0；/d 到預(yù)計(jì)值，輸出低電平 if （t=1000）p1.0=1；/t 到預(yù)計(jì)值，輸出高電平 d=0；t=0；/清零 只要單片機(jī)時(shí)鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。 2.4.2 儲(chǔ)能電感的繞制 使用儲(chǔ)能電感目的在于，在功率開關(guān)管截止時(shí)，為負(fù)載存儲(chǔ)能量，電氣上的作用 是把開關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。本次設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電感的磁體要求為工作頻率為 100 千赫茲，直流電阻小于 0.3 歐姆，飽和電流大于 2a。需要自己繞制，所需最小電感值 可以由公式計(jì)算 式中為估計(jì)最大輸入電壓下，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間， min4 . 1 )max( min iout tonvoutvin

43、l ton 根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)為開關(guān)周期的 30%是比較合適的。 代入數(shù)據(jù)求得，取uhl 8 . 76min uhl100 電感的設(shè)計(jì)方法為 其中為加入氣隙的高磁導(dǎo)率材料鐵心電感的截aeawap ae 面積，為電感窗口截面積，其中 i 為電感電流有效值，aw nbm l ae im kcj ni aw 為j 導(dǎo)線的電流密度，為繞組填充因數(shù)， （08;tl0=tim0; pwm=pwm 4.1.5pid 控制算法 設(shè)計(jì)原理：采用單片機(jī)作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，它是由 89c51 單片機(jī)系統(tǒng)通過 a/d 電路采集過程變量 v，并根據(jù)有關(guān)的算法控制變量 u，通過輸出 pwm 控制脈沖到執(zhí)行機(jī) 構(gòu)

44、，使過程變量穩(wěn)定在設(shè)定的值上。 pid 調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式： 近似計(jì)算。)0122()01()0(yyykdyykpyrkiu 其中：為 pid 參數(shù)，y0 為本次采樣值，y1 為上次采樣值，y2 為上兩次采kdkikp, 樣值。 ，r 為設(shè)定值，u 為控制量的增量。 ad 轉(zhuǎn)換采樣的電壓轉(zhuǎn)換為 0 到 255 之間的數(shù)字量，設(shè)定的值要轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字 量，本電源在 3 到 12 伏可調(diào)，那么需要把 0 到 12 伏轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換 公式為 12*255/12=255，即 255 對(duì)應(yīng) 12v，經(jīng)轉(zhuǎn)換以后就可以相互比較。 開關(guān)調(diào)整 電路 89c51 單片機(jī) a/d

45、轉(zhuǎn)換 器 圖 4.4 單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 29 5 系統(tǒng)調(diào)試 5.1 硬件模塊調(diào)試 5.1.1 整流濾波電路的調(diào)試 這一部分可以在面包板上模擬，將電路連接后，接通電源，先測量變壓器的輸出， 由交流檔位所測得的電壓為 12.96v，再測量整流輸出的電壓，需要注意將整流橋正確 的連接，否則會(huì)導(dǎo)致整流輸出電壓不正確，甚至燒壞穩(wěn)壓塊。檢查沒有錯(cuò)誤后，再測 量整流輸出電壓為 14.9v，和理論值相近，同時(shí)所測量穩(wěn)壓塊輸出為 5.10v，電路正常 工作，可以給單片機(jī)供電。 5.1.2ad 轉(zhuǎn)換的調(diào)試 通過穩(wěn)壓電源給轉(zhuǎn)換器一個(gè) 5 伏電壓，改變電壓，觀察數(shù)碼管所顯示數(shù)值可以跟 隨電壓變化而變化，用萬用表

46、測量電壓，和顯示值相比較也相近，可見模數(shù)轉(zhuǎn)換是正 常工作的。 5.1.3 脈沖輸出電路的調(diào)試 控制脈沖是直接輸入到開關(guān)管的基極的，在制板之前，用面包板模擬脈沖信號(hào)是 否可以直接控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，若使用開關(guān)管發(fā)射極輸出型變換電路，在發(fā)射 極所輸出的脈沖信號(hào)，幅度會(huì)很小，效果不好，通常采用集電極輸出型開關(guān)電路。將 電路連接好，用示波器觀察基極輸入信號(hào)和集電極的輸出信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)，輸入信號(hào) 幅度較小，但是經(jīng)過開關(guān)后，在集電極的輸出信號(hào)，幅度明顯被放大，效果比較好， 說明控制脈沖可以直接控制開關(guān)電路，信號(hào)穩(wěn)定。 5.1.4 功率開關(guān)管的調(diào)試 將已經(jīng)制作好的電路板放置好，避免和導(dǎo)電物體接觸造成短路

47、，然后，將控制信 號(hào)輸入功率開關(guān)管基極，用示波器觀察，通過按鍵從鍵盤輸入不同的預(yù)置電壓，使用 示波器另一通道觀察開關(guān)管集電極輸出信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍵盤輸入不同的電壓時(shí)， 輸入輸出的波形均發(fā)生變化，當(dāng)預(yù)置電壓從 12v 變小時(shí)，控制脈沖的占空比也相應(yīng)的 變小，當(dāng)預(yù)置電壓從小變大時(shí)，脈沖信號(hào)的占空比又相應(yīng)的增大，可見鍵盤能夠控制 系統(tǒng)更新脈寬，并能夠控制開關(guān)管工作，這部分調(diào)試完畢。 30 5.2 電源性能指標(biāo)的測試 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)有通用事項(xiàng)、包括電源名稱、適用規(guī)格等，首先是安全規(guī)格， 有關(guān)開關(guān)電源都有相應(yīng)的安全規(guī)格，例如，國際規(guī)格為 iec950、iec65；亞洲為電氣用 品管理法（日本） ；

48、歐洲統(tǒng)一規(guī)格為 en60-950、en60065，其中北歐的 vde（德國） ， bsi（英國） ，sev（瑞士） 。有關(guān) emi 的規(guī)格，日本為 vcci1 類，2 類；美國為 fccp15j a 類，b 類；德國為 vdeo871 a 類，b 類；國際上為 cisprpub11、pub12。電氣技術(shù)指 標(biāo)有輸入與輸出條件附屬功能等。機(jī)械結(jié)構(gòu)為外形、安裝和冷卻條件等。環(huán)境條件有 溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊等。其它條件有噪聲規(guī)定、可靠性等。 5.2.1 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo) （1）輸入技術(shù)指標(biāo) 作為開關(guān)電源的輸入技術(shù)指標(biāo)有輸入電源相數(shù)、額定輸入電壓及電壓的變化范圍、 頻率、輸入電流一般為單相 2 線

49、制和 3 相 3 線制，還有單相 3 線制及 3 相 4 線制等。 輸入電源的額定電壓因各國或地區(qū)不同而異，例如，美國規(guī)定的交流輸入電源電壓為 120v，歐洲為 220 到 240v，日本為 100v 及 200v，我國為 220v 及 380v。輸入電壓的變 化范圍一般為10%，加上配線路徑及各國的具體情況，輸入電壓的變化范圍多為-15% 到+10%。 工作頻率為 50hz 或 60hz，在頻率變化范圍不影響開關(guān)電源的特性時(shí)多半為 48 到 63hz。開關(guān)電源最大輸入電流是表示輸入電壓為下限值時(shí)，輸出電壓及電流為上限值 時(shí)的輸入電流。額定輸入電流是在輸入電壓及輸出電壓、電流為額定時(shí)的電流。開

50、關(guān) 電流的平波輸入方式是電容輸入方式，有較大的峰值電流，要有考慮電流的波峰系數(shù) 以及功率因數(shù)的規(guī)定。 （2）輸出技術(shù)指標(biāo) 輸出端的直流電壓的公稱值稱為額定輸出電壓，對(duì)于其公稱電壓規(guī)定有精度與紋 波系數(shù)等。 額定輸出電流是指輸出端供給負(fù)載的最大平均電流。根據(jù)電子設(shè)備的不同，多路 輸出電源中某路輸出電流增大，另路輸出電流就得減小，保持總的輸出電流不變。 穩(wěn)壓精度也稱為輸出電壓精度或電壓調(diào)整率，輸出電壓變動(dòng)有多種原因。 輸出電壓可調(diào)范圍是指在保證電壓穩(wěn)定精度條件下，由外部可能調(diào)整的輸出電壓 范圍，一般為5%或10%。條件是輸入電壓的下限時(shí)輸出電壓的最大值，以及輸入電 壓的上限時(shí)輸出電壓的最小值。 紋

51、波是與輸出端呈現(xiàn)的輸入頻率及開關(guān)變換頻率同步的分量，用峰-峰值表示，一 般為輸出電壓的 0.5%以內(nèi)。噪聲是輸出端呈現(xiàn)的除紋波以外頻率的分量，也用峰-峰值 31 表示，一般為輸出電壓的 1%，也包括與紋波沒用明確區(qū)分的部分，規(guī)定是紋波與噪聲 的合值，多數(shù)場合是規(guī)定紋波噪聲總合的情況，為輸出電壓的 2%以內(nèi)。 （3）附屬功能 過電流保護(hù) 輸出短路或過負(fù)載時(shí)對(duì)電源或負(fù)載要進(jìn)行保護(hù)，即為過電流保護(hù)。保護(hù)特性有額定 電流下垂特性；恒流特性；恒定功率特性，多數(shù)為下垂特性。過電流的設(shè)定值一般為 額定電流的 110%到 130%。但一般不損壞電源與負(fù)的范圍內(nèi)，特別不規(guī)定短路保護(hù)時(shí)的 電流值的情況很多。一般為

52、自動(dòng)恢復(fù)型。 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)包括：特性指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)。特性指標(biāo)包括輸出電壓、輸出 電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出電流、最大輸出電流；質(zhì)量指標(biāo)則包括紋波電壓、輸出電壓調(diào)整 率等。 5.2.2 輸出電壓的測試 測試時(shí)，先將負(fù)載電阻 rl 斷開，用萬用表測量電源的輸出電壓 vo，從鍵盤預(yù)置不 同的電壓值，一一測量，并和數(shù)碼管顯示值相比較，若測量結(jié)果顯示，輸出電壓可以 跟隨鍵盤輸入的變化而變化，同時(shí)數(shù)碼管顯示值也發(fā)生變化，并且與測量結(jié)果相近， 則電路是正常工作的。假如檢查過程中發(fā)現(xiàn)，電路失去了調(diào)節(jié)作用，輸出電壓完全不 隨鍵盤輸入變化而變化，則應(yīng)檢查開關(guān)管的各極的電壓是否正常，主要檢查 vbeo、vceo，分析

53、其是否已經(jīng)工作在開關(guān)狀態(tài)，以找出電源工作不正常的原因。 測試電路如圖 5.1 所示，進(jìn)行輸出電壓和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的測試時(shí)，均采用這 個(gè)測試電路。 測試步驟：先調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使輸入電源電路的交流輸入電壓為 220v，在電源 電路的輸出端，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻 rl 的阻值（可以取阻值為幾十到幾百歐姆、額定 工作電源大于本電源電路最大輸出電流的滑變電阻）使電源的輸出電流為規(guī)定值，在 此，取輸出電流為最大輸出電流的 1/2，為 1a（最大輸出電流為 2a，額定電流為 1a） ， 則取 rl 電阻值為 12 歐姆，觀察電流表讀數(shù)達(dá)到達(dá) 1a 后，用萬用表測量輸出電壓，測 量值為 11.96v，在 1

54、20.5 這個(gè)范圍內(nèi)，符合任務(wù)要求指標(biāo)；通過鍵盤改變預(yù)置電壓， 使輸出電壓輸出最小值 3v，同樣調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電流，達(dá)到最小值，再次測量輸 出電壓，測電壓為 3.1v，在 35%的誤差范圍內(nèi)，則所測量的輸出電壓范圍為 3.1v 11.96v。其中，vi 為電網(wǎng)輸入電壓，vs 是電路輸入電壓。 32 整流 濾波 整流 濾波 vi vs 電流表 負(fù)載電壓表 圖 5.1 輸出電壓或者輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的測試電路 5.2.3 最大輸出電流的測試 測試電路同樣按照?qǐng)D 5.1 連接，測試步驟為： 調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路輸入電壓為 vmin=220 x(1-10%)=198v,從鍵盤預(yù)置最 小的電壓，

55、使輸出電壓為最小值，取負(fù)載電阻為 1.5 歐姆，使得輸出電流達(dá)到最大值 2a，測量此時(shí)電壓為 3.2v，然后，斷開和接通負(fù)載，分別觀察輸出電壓的變化情況， 當(dāng)負(fù)載從斷開到接通時(shí)，測得的輸出電壓沒有明顯的變化，仍為 3.3v 左右，由此判斷 電源可以輸出這樣的最大電流為 2a。 若在測試中發(fā)現(xiàn)輸出電壓有明顯的變化，則需要適當(dāng)限制輸出電流或者輸出電壓。 5.2.4 過流保護(hù)的測試 測試電路仍采用圖 5.1，測試步驟：調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路的輸入電壓為 220v，使用滑動(dòng)變電阻器，取得適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻值，調(diào)節(jié)變阻器，分別測量輸出電壓 為最大值、中間值、最小值三個(gè)點(diǎn)，調(diào)節(jié)變阻器，使與負(fù)載電阻 rl

56、串接的電流表指示 值略大于最大輸出電流值 5a，調(diào)節(jié)后顯示值為 5.2a，當(dāng)電流到達(dá)此值時(shí)，所測得的輸 出電壓為 0v，說明過流保護(hù)電路在電流超過規(guī)定值時(shí)，將輸出端短路，同理，當(dāng)調(diào)節(jié) 變阻器使輸出電流小于 5a 時(shí)，電源輸出電壓正常。 5.2.5 電壓調(diào)整率的測試 電壓調(diào)整率是指在直流電源負(fù)載不變，即負(fù)載電流不變的情況下，輸入電壓變化， 包括電網(wǎng)電壓變化時(shí)，輸出直流電壓變化的相對(duì)值，用公式表示為：，vovosd/ 式中為電網(wǎng)電壓為 220v 時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出直流電壓值，為電網(wǎng)電壓從 220v 分別vovo 33 變化到電網(wǎng)電壓+10%（242v）和-10%（198v）時(shí)，輸出電壓的變化量。電壓調(diào)

57、整率越 小，電源穩(wěn)定性越好。 測試電路仍采用圖 5.1，測試步驟：通過鍵盤預(yù)置電壓為最大值、最小值、中間值， 使得輸出電壓分別為 11.6v、3.2v、6v，分別調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電流在這幾個(gè)點(diǎn)均達(dá) 到輸出電流的最大值 2a，然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使得交流輸入電壓為 242v，測得此時(shí)的輸 出電壓=11.83v，再調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使交流輸入電壓為 198v，測得此時(shí)的輸出電1vo 壓=11.56v，再次調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使交流輸入電壓為 220v，測得此時(shí)電壓2vo =11.9v，根據(jù)電壓調(diào)整率的計(jì)算公式得vo %26 . 2 %100 9 . 11 56.1183.11 %100 21 vo vovo sd 5.2.6 紋波電壓的測試 紋波電壓是指疊加在輸出電壓上的交流電壓分量的有效值或者峰峰值。測試步驟： 交流紋波電壓的最大值一般出現(xiàn)在負(fù)載電流最大的時(shí)候，因