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1、精选优质文档-倾情为你奉上广西科技大学毕业设计（论文）说明书课题名称 基于单片机控制的开关电源的设计 系 别 职业技术教育学院 专 业 电子信息工程 班 级 电子 Z091 学 号 4 姓 名 石瑜琦 指导教师 刘胜永 2013年 5月 10 日专心-专注-专业摘要开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（MOSFET；三极管）的导通和关断的时间比来稳定输出电压的一种新型稳压电源。它是在电子、计算机、通信、电气、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点。本次设计的主要目的是实现一个单片机控制开关电源，开关电源
2、在日常生活中应用非常广泛，如今是数字化时代，用单片机实现电子产品十分方便，所以在这次设计中使用了单片机实现。在这次设计文档中，详细阐述了开关电源与线性电源的比较，方案论证，总体结构设计，通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。并采用PID算法控制输出电压稳定，构成可输出0v到12v的可调电压，并显示实时电压和预置值。 关键字：开关电源 半导体 PID算法 闭环控制 数控Abstrat Switching power supply is to use the power of modern elect
3、ronic 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 pro
5、ducts, 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 voltag
6、e 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. Key word: switch power semiconduc
7、tor PID algorithm closed-loop control CNC 目 录附录（子程序和电路图）. .38绪论开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管（MOSFET；三极管）的导通和关断的时间比来稳定输出电压的一种新型稳压电源。它是在电子、计算机、通信、电气、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点。本次设计中研究的单片机控制开关电源，可以通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。并采用PID算法控制
8、输出电压稳定，构成可输出0v到15v的可调电压，并显示实时电压和预置值，通过键盘可随时修改PID参数以优化控制效果。 单片机控制的开关电源具有设计弹性好的优点，可以按照设计者的思想灵活的工作。目前电子设备的日益小型化需要供电电源的小型化，这样制作小型化电源是未来电源制作的一个趋势，传统开关电源线路一般很复杂体积也较大，如果使用的单片机作为控制核心必将可以大大简化电源的结构，制作更加小的电源将成为可能，并且使用单片机可以扩展许多功能，如显示，实时控制调整电压，可维护性强，由于目前国内有专门的PWM输出的单片机价格昂贵，普通的单片机I/O口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远达不到现代电源要求的工作
9、频率，所以目前单片机控制的电源使用并不广泛，但是单片机在智能化以及可实现的用户友好界面，扩展性强等等方面的优势使其成为未来电源重要的发展方向。因此，我们研究单片机控制的开关电源，非常有现实意义。随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积和重量不断下降，这就要求有效率更高、体积更小、重量更轻的开关电源，使之能满足电子设备的日益小型化的需要。这是未来开关电源设计所应考虑的第一个问题。开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，要进一步提高开关电源的效率，就要提高电源的工作频率。但频率提高后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。进一步研制生
10、产出适合于高频工作的开关管、高频电容、开关变压器、储能电感等元器件是开关电源设计所面临的另一个问题。在开关电源中，由于功率晶体管工作在开关状态，当开关速度提高后，会受到电路中分布电感、电容成分或二极管中储存的电荷的影响而产生较大的浪涌和噪声，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐波干扰，这些尖峰电压或电流可能会损坏电路的器件，同时污染市电电网，影响邻近的电子仪器与设备的在正常工作。虽然也可以采取一些抑制干扰的措施，在一定程度上降低这些干扰的影响，但目前阶段的精密电子仪器中，仍难以使用开关电源。因此，克服开关电源产生的各种噪声干扰，是我们要努力解决的第三个问题。1 概述 1.
11、1 课题环境背景随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，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
12、泛的发展空间。推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源第一次出现在1955年，Royer电路。实用化在1966年前后，电路种类很多，直到10年前，开关电源才被分为几个基本拓扑：1、BUCK降压型： 象单管正激、双管正激、全桥、LLC电路都是BUCK的变形；2、BOOST 升压型： 象PFC用得最多，3、BUCK-BOOST型： 即可降压，也可以升压，反激电路就是BUCK-BOOST的一种理想版本；4、CUK电路： 这是美国CUK先生在30年前的发明，实现零纹波输出的电源，但一直未能成为主流。1.1.1 绿
13、色节能型开关电源早期的开关电源因为技术不够成熟，待机功耗大且效率低。例如，早期的36W电源适配器的待机功耗为2W左右，而效率仅为78%。如何降低开关电源的的功耗和提高开关电源的效率是全球能源行业共同关注的问题。随着科技的发展以及单片机的出现，使得设计出一个绿色节能的开关电源已经算不上是难事。尤其在06年之后美国推出了“能源之星”计划后，对开关电源的设计以及制造业产生了推波助澜的作用。 1.1.2 智能化数字电源进入21世纪后，关电源正朝着智能化、数字化的方向发展。最近刚问世的智能数字电源系统以其优良的特性和完备的监控功能，正引起人们的关注。它是以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核
14、心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。此外，数字电源还可通过远程诊断来确保系统长期工作的可靠性，包括故障管理、过电流保护以及避免停机等。1.1.3 可编程开关电源可调式开关电源都是通过手动调节电阻值来改变稳压器输出电压的，不仅调节精度低，而且使用不够方便，数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控电阻器（Digitally Controlled Potentiometer），可简称为DCP。利用数字电位器代替可调电阻，可构成由计算机控
15、制的可编程开关电源。传统电源存在不足的地方，例如，传统电源效率不高，线性电源由于功率管是工作在线性放大状态，功率管的电流和输出电流是成比例的，因此当输出电流越大时，功耗就越大。通常，线性电源效率只有45%到50%左右，因此提高电源效率是未来电源设计，应着重解决的问题，而开关电源能够很好的解决这个问题，开关电源的功率开关管是工作在开关状态的，也就是，只是在开关管导通时，管子才会产生损耗，因此开关电源的效率比线性电源要高得多，通常可以达到80%以上，本设计选择开关电源作为研究对象，利用其输出电压和输入电压之间占空比的关系，假定输入基本稳定，利用单片机控制占空比，就可以控制输出电压，通过A/D转换，
16、采样输出电压，使用LCD显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制作。1.2 电源技术的发展与方向1.2.1 线性电源和开关电源线性稳定电源，其特点是:它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出，稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路、输出连续可调的成品。线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷还是在体积和重量上。通过输入调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消耗，并使效率更低。线性电源要达到50%的效率就不容易了，这些白白消耗掉的功率还带来散热问题。如果要使线性电源在一个通用输入电压范围(85V265
17、VAC)工作，会导致线性电源的效率更低。开关电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它的变压器不工作在工频上，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。功率开关管工作在饱和区截止区，即工作在开关状态，开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠。多年来，由于技术上的障碍(高压，大功率)，开关电源集成电路在集成化上一直因一种电流模式PWM开关电源控制器的设计得不到很大的进步。上世纪80年代，提出了电源制造中电力电子集成概念，明确了集成化是电力电子技术未来发展的方向，是解决电力电子技术发展面临障碍的最有希望的
18、出路。电源集成电路逐步成为功率半导体器件中的主导器件，把电源技术推向了电源管理的新时代。电源管理集成电路分成电压调整器和接口电路两方面。正是因为这么多的集成电路(IC)进入电源领域，人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。1.2.2 电源技术的发展方向从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。高频化使开关电源小型化，并使开关电源更进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有
19、重要的意义。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标
20、，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大，而用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化 1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流
21、后,得到脉动直流电后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电。要达到高精度的直流电压,必须经过稳压电路进行稳压。应用于科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等领域。开关电源(Switching power supply)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。应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通信设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通信设备,视听产品,安防,电脑机箱,数码产品和仪器类等领
22、域。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关电源的发展,产品不断向着轻、小、薄、低噪声、高可靠的方向发展。开关电源是电子电源的主要大类产品，由于其小型化、重量轻、功率密度/转换效率高、输入电压范围广、热消耗较少等众多种优点，并得益于电子产品轻薄短小的需求趋势，其发展迅速，迅速取代线性电源普及于各种电子产品领域。根据中国电源学会收集整理的数据，2008年全国开关电源(主要包含消费类开关电源、工业类开关电源、通信电源、PC电源)产值达到855亿元，2009年达931亿元，增长8.8%;2010年达到1027亿元，
23、增长10.3%。按开关电源应用领域细分，占据全行业产出份额第一的是工业类开关电源，2010年达到全行业产值的比重为56%，居第二位的是消费类开关电源，占32%，通信开关电源占6%，个人电脑开关电源占3%。1.3 本文研究主要内容（1）设计、制作开关电源；（2）使用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘预置输入电压，可显示预置电压和输出电压；（3）开关电源的设计方法；（4）单片机软件编程方法；（5）PID控制原理；2 系统方案设计2.1 开关电源工作原理开关电源是指调整管工作在开关方式，即导通和截止状态的稳压电源，缩写为SPS（Switching Power Supply）。开关电源的核心部分是一个
24、直流变换器。利用直流变换器可以把一种直流电压变成极性、数值不同的多种直流电压。 图2.1所示电路的工作过程为：假设基准电压为5v，由于电网波动导致输入电压减小，那么输出电压也将会减少，此时，所采样的电压将减小，假设为4.9v，误差为0.1v，经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大，同理，当由于电网波动导致输出电压增大时，脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。图2.1开关电源原理框图按电源电路中功率管的工作方式划分，电源可以分为开关电源与线性电源两大类。线性电源是发展较早的一种电源，其功率管工作在线性放大区。2.2 开关电源与线性电源的比较2
25、.2.1线性电源的缺点（1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；（2）体积大、重量大，不能小型化；（3）必须有较大容量的滤波电容。造成这些缺点的原因是：（1）线性电源中功率晶体管V在整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体管本身的功耗与输出电流成正比。这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大。为了保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。（2）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，他的效率只有80%-90%。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率，就必须增大滤波电容的容量。2.2.2开关电源的优点（
26、1）功耗小，效率高。图2.1中，开关管V在脉冲信号的控制下，交替工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，频率一般在50到200千赫兹。这就使得功率开关管的损耗较小，电源的效率可以大幅度提高，其效率可以达到80%以上。（2）体积小，重量轻。由于没有采用大型的工频变压器，并且在开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去较大的散热片，因此开关电源的体积和重量都可以得到减小。（3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳
27、压效果好。（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。例如，若开关电源的工作频率为25千赫兹，是线性稳压电源频率500倍（25000/50赫兹），这使滤波电容的容量可以相应的缩小500倍，这使滤波电路中元件的体积和重量得以减少，同时也节省了成本。2.3 系统方案论证开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设计思路。开关电源的一般结构框图如图2.1所示，本设计通过对不同的方案的对比得出了最佳方案的设计。图2.1 开关电源的一般框图单片机控制的开关电源，从对输出电压控制的角度分析，可以有几种可行的方案。2.3.1方案1主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图2.2所示），只能获得低于输入
28、电压的输出电压，且输出电压与输入电压不隔离，容易引起触电事故。图2.2 非隔离式DC-DC结构2.3.2方案2主回路采用隔离推挽式拓扑结构（如图2.3所示），输入与输出电气不相连，通过开关变压器的磁偶合方式传递能量，适合实验室使用。本设计采用方案二。图2.3 隔离式DC-DC结构2.3.3 方案3方案3：单片机扩展A/D转换器，不断检测输出端的电压，并根据电源输出电压与键盘预置电压的差值，输出一个PWM脉冲，直接控制电源的工作。2.3.4方案分析方案1分析：采用脉冲频率调制FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特点是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调
29、节占空比。输出电压的调节范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。方案2分析：采用脉冲宽度调制PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比控制型效率高并具有良好的输出电压和噪声。基于上述考滤及题目的具体要求，本设计选用PWM调制方式。方案3分析：这个方案，单片机不仅加入了反馈控制系统，而且作为控制核心，单片机得以充分利用，而且省去了D/A芯片，成本大大降低，是真正的单片机控制。综上所述，本设计选择第三种控制方案，单片机使用89C52，A/D芯片采用ADC0809，采用LCD显示采样值，键盘预置电压，设计任务要求输出可调，
30、所以设定值需要从键盘输入，实现输入不同的电压，输出便可以输出不同的电压。2.3.5总体结构设计系统工作原理图如图2.2所示：市电经过整流滤波后，一路电压经过7805稳压得到一个+5v电压，该电压作为单片机的工作电源，另外一路电压直接作为开关变换电路的输入电压。单片机根据键盘输入值和取样值之间的差值，修改脉冲占空比，并输出控制功率开关管，以便得到期望的输出电压值，并根据模/数转换器所采样的电压和键盘输入比较，根据差值调用PID算法再次修改脉宽使输出电压稳定。开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放能量给负载。单片机定时采样输出端的电压，通过AD
31、C0809送进单片机进行处理，单片机根据处理结果输出更新的控制信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出控制信号控制功率开关管工作状态。在本系统中，用户可以根据需要从键盘输入期望的电压，单片机会根据键盘输入与采样电压的差值，更新脉宽，使电源输出相应电压，更新脉宽后，单片机会马上调用PID控制算法，对输出电压进行稳定控制。 闭环时，电源自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置的电压变化时，先将键盘输入值和从输出端的取样值相比较，假设当前键盘输入为10v，从输出端取样的值为6v，差值为4v，则系统会根据这个差值，更新脉宽使得输出端电压上升为10v；同样，当键盘输入为6v，输出端取样值为10v，差值为-4v，
32、系统会根据算法，将占空比减小以使输出电压变小，这就是系统脉宽调制过程。同时，电源可以自动稳压，假定在某一正常状态下，输出为V0，反馈电压问Vf（Vf=V0），用户设定电压为Vs，当V0=Vs时，偏差为0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即V0Vs时,单片机采样的电压也增加，单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小，从而使电压下降，同样当电网波动使输出电压下降时，即V0Vs时，单片机修改脉宽使导通时间变长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压。整流滤波电路开关变换电路整流滤波电路单片机控制电路辅助电源LCD显示ADC0809取样电路键盘预置图2.2 单片机控制开关电源系统框图2.
33、4系统难点分析2.4.1如何提高电源工作频率困难分析：现代开关电源的工作频率已经可以达到300千赫兹，本次设计虽然采用了24M赫兹的晶振频率，可以通过单片机定时输出40千赫兹的频率，但是开关电源要求的是单片机的处理速度要足够快，51系列的单片机，即使使用24M的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，它的速度仍是比较慢的，而且这里单片机还需要做采样电压，扫描键盘，PID控制等等很多的工作，那么单片机就更加慢了，就算忽略这方面的影响，单片机可以通过定时器中断产生40千赫兹的频率，但是定时器中断产生的脉冲的有效电平，即占空比是不能够改变的，只能是50%，要设计输出可调的开关电源，显然行不通。解决
34、办法：现在的问题在于单片机输出的脉冲占空比无法改变，硬件更改，只能是更换处理速度高的单片机，但是成本又增加了，而且还不一定比使用专门的PWM控制芯片的控制性能可靠，所以在此选择在软件上解决，具体思路为：首先定义两个变量，一个周期T，一个占空比D，给它们赋值，T大于D，先让单片机I/O输出高电平，让T，D同时计数，当D计算到预计值，I/O口为低电平，然后低电平一直延续到T值时，I/O口输出高电平。改变D，T的值可以改变脉冲频率，改变D值可以控制占空比。算法需要使用定时器，根据电源的工作频率设定定时时间。算法为：D=100，T=1000；/定义变量，并赋值，占空比为100/1000=10%VOID
35、 tim0 ()/定时中断P1.0=1;/P1.0输出高电平D+;/同时计数 T+; If（D=100）P1.0=0；/D到预计值，输出低电平 If （T=1000）P1.0=1；/T到预计值，输出高电平D=0；T=0；/清零只要单片机时钟频率足够高，可以输出任意的频率。2.4.2储能电感的绕制使用储能电感目的在于，在功率开关管截止时，为负载存储能量，电气上的作用是把开关方波脉冲积分成直流电压。本次设计储能电感的磁体要求为工作频率为100千赫兹，直流电阻小于0.3欧姆，饱和电流大于2A。需要自己绕制，所需最小电感值可以由公式计算 式中为估计最大输入电压下，开关管导通时间，根据设计前辈们的经验，
36、估计为开关周期的30%是比较合适的。代入数据求得，取电感的设计方法为 其中为加入气隙的高磁导率材料铁心电感的截面积，为电感窗口截面积，其中I为电感电流有效值，为导线的电流密度，为绕组填充因数，（0）。，为铁心中的磁通密度。计算出值，对照铁心产品手册，选择大于值的产品，即可查得对应的铁心截面积，由式确定绕组匝数。2.4.3标度转换技术本次设计使用了ADC0809，这种芯片只能采样0到5V的电压，所采集回来的电压对应的是0到255的数字量，而用户从键盘输入的是电压值，为了进行比较，需要经过标度转换，转换为数字量，以得到同样的单位量纲。控制系统检测的被控对象的参数有着不同的量纲和数值。所有这些参数都
37、需要通过变送器转换为电信号，再通过A/D转换器或者V/F变换器转换为计算机所能处理的数字量。由于不同参数的变化范围和量纲是不同的，因此同样的数字量表示的模拟量可能是不同的。如同样是数字量255，可能表示的是5V的直流电压，也可以表示其他的量；即使是相同的量纲，如果变化范围不同，相同的数字量表示的模拟量也是不同的，数字0所以控制系统在进行显示、打印、记录和报警等操作时，必须把这些数据转换成相应的不同量纲的物理量。这就是标度变换技术。本次设计的标度转换为：键盘输入为：0到12V；采样0到5V电压对应数字量为0到255 变换程序：r=input*255/12;/input为键盘输入值,r为转换后的数
38、字量就是说使预置的0到12v的转换为0到255的数字量，这样单片机系统才能够进行正确的比较处理。2.5 开关变换器结构分析与选择 开关电源的核心是高频开关变换电路和脉冲控制电路。高频变换电路把直流输入变换成高频脉冲输出。输出电压平均值,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（）与截止时间（），达到控制输出电压目的。隔离电路采用高频变换器件和高频隔离变压器。开关电源的四中组态为：（1）Buck变换器；（2）Boost变换器；（3）Buck-Boost变换器；（4）CUK变换器。2.5.1降压变换电路分析这种开关型电源是直流供电，经过开关电路得到单方向方波，再经过滤波后又得到与输入电压不同的
39、稳定的直流。它们的输出电压总是比输入电压低。当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关元件被控制截止时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时，续流二极管正向导通，构成闭合回路。电容起到平滑输出的作用。电路中开关管和负载电阻是串联的，所以也称它为串联开关电源。图2.4 Buck变换器当开关管导通时，电感上的电流处于最小值，此后电感电流开始上升，但电流仍低于负载电流Io，于是电容仍向负载供电，因此输出电压下降。当电感电流上升到等于Io时，电容停止向负载供电，此时输出电压达到最小值。随着电感电流的继续上升，电容开始充电，从最低值开始上升。当开关管截止时，电
40、感上电流处于最大，此后电感上电流开始下降，但电流仍比Io大，所以电容仍处于充电状态，输出电压继续上升。当电感电流下降到Io时，电容停止充电，此时电容上电压达到最大值。随着电感电流的下降，电容开始放电，由最大值逐渐开始下降。假设开关管的导通时间为,截止时间为,并且开关管和电感为理想元件，则,其中为开关的脉冲占空比。若开关管一直处于导通状态，截止时间为零，则；若开关管一直截止，导通时间为零，则，随着与的比例不同，输出电压为0之间的各种值。下面具体分析该电路的工作过程：开关管导通时，发射极上的电压为 2-1为开关管饱和压降，为输入电压，那么电感电压为,为电感电流，则在经历以后，开关管截止，此时电感电
41、流最大，电流值为 2-2在这一瞬间，电感储能为： ，输入电压通过电感对电容充电，充电的电量为 2-3在此期间，输入给电路提供的能量为 2-4（4）式经过变换得：/即是电感中储存的磁能和电容储存的电能。可见，输入电能完全转换为电路的能量，效率很高，正是开关电源的优势所在。当开关管截止后，电感电流不能突变，电感产生感应电势，使得续流二极管导通，电感通过电路向负载释放能量，设二极管正向导通压降为，根据电路知识，可知电感上的电压与输出电压、二极管压降之间有这样的关系：电感电流将从最大值一直减少为0，电感所储存的磁能将转化为电源的电能，假设磁能完全转换为电能，那么可以通过下面的式子算出电感电流由最大值减
42、为0的时间， 2-5开关管截止期间电容的充电量为 2-6续流二极管的作用是使电感电流在开关管截止时能连续变化，这样电感存储的能量才能够转化为电容中储存的电能。由此可见，如果要控制信号的每一个脉冲都能完全的工作，应有，也就是让电感在导通期间存储的能量，能在时间内，完全释放给电路。根据能量守恒定理，电感中的磁能转化为电能，对电容再次充电，那么输入电能应等于导通时电容所充电能加上电感的磁能，即 2-7代入（4）式得 2-8可见，当导通时间越大或者脉冲周期越小，输出电流越大，当需要提高电源输出功率时，可以提高开关管的工作频率。2.5.2升压型变换电路升压式开关电源的输出电压总是高于输入电压Ui，并且极
43、性是相同的。当开关管饱和导通时，电感进行储能。当开关管截止，电感中的电能通过续流二极管供给负载，同时对电容C充电。当负载电压下降时，电容再次放电，这时可获得高于输入的稳定电压。由于开关管和负载是并联的，也称它为并联开关电源。2.5.3Buck-Boost型变换器极性变换式电源输出电压与输入电压极性是相反的，输出电压的绝对值还要高于输入电压的绝对值，否则将和降压式开关电源混淆，由此可见，极性变换式开关电源是上述降压式和升压式电源的综合。当开关管导通时，输入电压加在电感上，产生电流，电感进行储能，二极管反向截止。晶体管截止时，电感上电流逐渐减小，感应电动势使二极管导通，给电容充电，电容上的电压与输
44、入电压极性相反。当负载上的电压要跌落时，电容再次给负载放电，这时可使输出电压高于输入电压。这4种开关电路有各自的特点，本次设计任务要求电源在3到12伏内可调，而输入电压为14.4V，所以采用降压型开关变换电路，即Buck变换器，通过调制输出占空比为0到90%的一系列脉冲，使电源在要求范围内可调。2.6 开关电路器件参数选择2.6.1功率开关管的选择 开关管是整个电源主要的工作器件，正确的选用，是电源成功制作的前提。首先，开关管的截止时间不宜过长，假如截止时间过长，当开关管的上一个控制脉冲已经结束，而下一个控制脉冲已经到来时，会造成开关管还没有完全关断，马上就进入下一个导通周期，这样开关管几乎是
45、一直在导通，开关完全失去控制，功耗和输出电压会迅速增加，造成电源的损坏。其次，开关的导通时间也不宜过长。当开关频率较高时，开关管导通和截止的频率频繁，导通时间长，意味着开关管有更多的时间是在放大状态下工作（开关导通后是利用晶体管的放大作用而工作的），这样开关管的功耗就会迅速增加，电源的效率将大为下降。本论文中电源工作频率为25千赫兹，根据设计前辈们的经验，功率开关管的导通时间不宜超过1.5，截止时间不宜超过1。在开关管导通时，负载电流以及滤波电容的充电电流均通过开关管提供，因此，开关管的集电极电流必须大于输出的负载电流，集电极电流的计算如下：电感电流的平均值等于负载电流，则有，流过开关管的电流平均值为，忽略开关管导通压降，有，整理方程消去得到 2-9流过开关管的最大电流应等于电感电流的最大值，则 ，额定输出电流为，算出集电极电流小于在开关管截止时，电源的全部输入电压都加在开关管的集电极和发射极两端。所以其耐压值就必须大于集电极的输入电压，同样考虑到电网波动和开关瞬间滤波电感所产生的浪涌电压，取其耐压值为输入电压的2倍。输入电压为14.4，则开关管耐压应大于2，根据数据手册，选择的晶体管型号为D882，耐压值40V，集电极电流3A，功率10W。2.6.2 滤波电容的选择电容的滤波原理是：利用电容在整流二极管导