基于單片機的開關電源設計

1、 摘 要本設計由STC89S52單片機系統(tǒng)，PWM脈寬調制信號控制芯片TL494，開關電源Buck串聯(lián)降壓電路, A/D模塊, D/A模塊, 鍵盤輸入和LCD顯示輸出模塊，制作了一個輸出電壓為5V-15V可調 DC/DC模塊構成的供電系統(tǒng)。電源模塊由TL494控制Buck電流構成，通過電壓反饋控制將輸出電壓穩(wěn)壓到所需要的電壓。STC89C52單片機控制器采樣輸出電壓，通過給電源模塊一個調節(jié)信號，改變各電源模塊的內部輸出電壓，從而實現(xiàn)輸出穩(wěn)定可調的電壓。關鍵詞： STC89C52單片機; TL494; PWM脈寬調制信號; Buck電路AbstractThe design microcontro

2、ller system by STC89S52, PWM pulse width modulation signal control chip TL494 switching power supply Buck series buck circuit modules of the A / D, D / A module, keyboard input and LCD displays the output modules to produce an output voltage of 5V-15V adjustable power supply system of the DC / DC mo

3、dule. The power module is controlled by the TL494 Buck current is constituted by the voltage feedback control of the output voltage regulator to the desired voltage. STC89C52 microcontroller controller the sampling output voltage by a regulating signal to the power supply module, the internal output

4、 voltage of to change each power module, in order to achieve stable output adjustable voltage.Keywords：STC89C52CM; TL494; PWM Any diversion; Buck circuit 目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒 論11.1引言11.2 開關電源簡介1第二章 開關電源DC/DC電路設計思路22.1 開關電源的工作原理22.2 開關電源的常見拓撲結構簡介32.3 開關電源DC/DC拓撲設計思路42.3.1 DC/DC基本拓撲設計方案42.4 DC/DC電路實

5、現(xiàn)52.4.1 DC/DC回路參數設計72.5 系統(tǒng)供電模塊設計82.5.1 整流濾波電路設計82.5.2 工作輔助電源參數設計9第三章 控制系統(tǒng)的設計思路103.2 單片機模塊的設計113.2.1 STC89C52性能簡介113.2.2 最小系統(tǒng)設計113.3 A/D模塊設計123.3.1芯片介紹123.3.2 TLC549工作時序133.3.3 A/D電路設計143.4 D/A模塊設計153.4.1 D/A芯片功能介紹153.4.2 D/A芯片I2C總線數據通信基本協(xié)議153.5 接口電路的設計173.5.1顯示接口電路設計173.5.2 顯示接口電路設計17第四章 程序設計194.1 主

6、程序流程圖的設計194.2 鍵盤掃描程序設計204.3 A/D程序設計214.4 D/A程序設計22第五章 系統(tǒng)仿真235.1 仿真儀器235.2 仿真方法235.3 仿真結果與分析23參考文獻24附錄一：系統(tǒng)整體原理圖25 附錄二：程序代碼26結論與展望.致 謝35第一章 緒 論1.1引言隨著電子技術的發(fā)展，數字電路應用領域的擴展，現(xiàn)今社會，產品智能化、數字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能、價格、發(fā)展空間等備受人們的關注，尤其對電子設備的精密度和穩(wěn)定度最為關心。性能好的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和外圍條件越優(yōu)越，那么設備的壽命更長?；诖?，人們對高精度、高穩(wěn)定

7、性的開關電源的需求越來越迫切。 眾所周知，許多科學實驗都離不開電源，并且在這些實驗經常會對通電時間、電壓高低、電流大小以及動態(tài)指標有著特殊的要求，然而目前實驗所用的直流電源大多輸出精度和穩(wěn)定性不高；在測量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數碼管顯示電壓或電流，搭配電位器來調整所要的電壓及電流輸出值。使用上若壓要調整精確的電或者電流輸出，須搭配精確的顯示儀表測量，又因電位器的阻值特性非線性，在調整時，需要花費一定的時間，況且還要當心漂移，使用起來非常不方便。因此，開關電源不僅具備良好的輸出質量而且還具有多功能以及一定的智能化，以精確的微機控制取代精確度小的人為操作，在實驗開始之前就對一些參數進行預設

8、，這將會給各個領域中的實驗研究帶來不同程度的便捷與高效。 開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的之間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，具有高效率、體積小的特點。從上世紀90年代以來開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源。開關電源向著高頻化、模塊化和智能化方向發(fā)展目前，在小功率開關電源的設計中，普遍采用專用集成芯片控制脈寬調制技術。使用專用PWM控制芯片具有電路簡單、安裝與調試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點。1.2 開關電源簡介 開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持

9、穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，兩者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但兩者增長速率各異。線性電源成本在某輸出功率點上，反而高于開關電源，這點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間。第二章 開關電源DC/DC電路設計思路2.1 開關電源的工作原理 Ui是開關電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開關，R是負載。當控制開關K接通的時候，開關電源就向

10、負載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓U。；當控制開關K關斷的時候，又相當于開關電源向負載R輸出一個脈沖寬度為Toff，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關K不停地“接通”和“關斷”，在負載兩端就可以得到一個脈沖調制的輸出電壓: U。=Ui*Ton/D，其中D=Ton/T，所以可以推導出：U。=Ui*D 。如圖2.1.1 開關電源工作原理圖。圖2.1.1 開關電源工作原理圖串聯(lián)式開關電源輸出電壓濾波電路大多數開關電源輸出都是直流電壓，因此，一般開關電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖2.1.2是帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關電源工作原理圖。圖2.1.2帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關電源

11、工作原理圖圖2.1.2中由一個整流二極管和一個LC濾波電路組成。其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關K接通期間Ton限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負載R上，對負載R進行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉化成磁能進行能量存儲，然后在控制開關K關斷期間Toff把 磁能轉化成電流iL繼續(xù)向負載R提供能量輸出；C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉化成電荷進行存儲， 然后在控制開關K關斷期間Toff把電荷轉化成電流繼續(xù)向負載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制 開關關斷期間Toff，給儲能濾

12、波電感L釋放能量提供電流通路。在控制開關關斷期間Toff，儲能電感L將產生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負載R，再經過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。2.2 開關電源的常見拓撲結構簡介DC-DC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式雖然安全，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會造成效率的降低，而本題沒有要求輸入輸出隔離，具體有以下幾種：拓撲一：降壓斬波電路(Buck Chopper)。開關管T1受占空比為D的PWM波的控制，交替導通或截止，再經L和C濾波器在負載R上得到穩(wěn)定直流輸出電壓U。該電路屬于降壓型電路，能

13、夠達到題目要求的5-15V的輸出電壓。如圖2.2.1所示。圖2.2.1降壓斬波電路拓撲二：升壓斬波電路( Boost Chopper)。并聯(lián)開關電路原理與串聯(lián)開關電路類似，但此電路為升壓型電路，開關導通時電感儲能，截止時電感能量輸出。只要電感繞制合理，不能達到題目要求的5-15V，且輸出電壓U，呈現(xiàn)連續(xù)平滑的特性。如圖2.2.2所示。圖2.2.2升降壓電路拓撲三：升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper)。實際卜此電路是在串聯(lián)開關電路后接入一個并聯(lián)開關電路。用電感的儲能特性來實現(xiàn)升降壓，電路控制復雜。如圖2.2.3所示。圖2.2.3 升降壓電路2.3 開關電源DC/DC拓撲設計思路

14、2.3.1 DC/DC基本拓撲設計方案本系統(tǒng)采用數字信號轉模擬信號并同輸出采樣的反饋信號做加法運算后輸入到PWM控制芯片的比較端，然后由芯片自身根據反饋量來自動調節(jié)PWM信號的占空比。從而達到所需的穩(wěn)定電壓值的目的。本系統(tǒng)主要由輔助工作電源、電源模塊、單片機控制器等幾部分組成，硬件系統(tǒng)框圖如圖2.3.1所示，其中，輸出微機可調電源模塊拓撲結構為Buck電路。輸入濾波DC/DC變換輸出濾波電阻控制IC控制脈沖電壓反饋二極管微機調節(jié)信號給定電壓采樣24V+-圖2.3.1硬件系統(tǒng)框圖2.4 DC/DC電路實現(xiàn)本設計采用以TL494芯片為核心的PWM控制器。TL494是一種性能優(yōu)良的脈寬闊制控制電路，

15、可作為推挽式、全橋式半橋式開關電源控制器，工作額定頻率為lOkHz-300kHz，輸出電壓可達40V。其內旗一個線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過一個外部電阻和一個電容進行調節(jié)。工作溫度范圍：TL494為-40-85。1、2腳和1 5、16腳分別為兩個電壓比較器輸入端，由于本次設計的電源只對一路電壓輸出，所以只需要一綢比較器，所以把15、16腳分別接V，。，、地進行屏蔽；然后1腳接反饋FB，2腳接標準電壓Vrct，通過比較1、2腳的電位，來控制占空比。在本控制器中只劇到了TL494的誤差放大器I，戰(zhàn)將誤著放大器的IN（16腳）接地、IN（15腳）接高電平。為保護TL494的輸出三極管，經R26和R25分壓，在4腳加接近0.3V的間歇期調整電壓。