数控直流开关电源的设计资料_数控直流电源的设计
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数控直流开关电源的设计
数控直流开关电源的设计
摘要
本设计是根据单片机控制系统应用于开关稳压电源的方法和原理，将单片机数字控制技术，有机地融入直流稳压电源的设计中，设计出一款可调稳压输出的直流开关电源。开关电源采用DC—DC全桥式电路，控制电路采用STC12C5A60S2的单片机，由模拟控制芯片KA7500B产生PWM信号经驱动电路实现对DC—DC开关管的控制，实现电压的稳定输出，通过键盘来设置电源的输出电压，并能够通过液晶直观地显示出电压。该设计分析了各个模块电路和整机的工作原理，给出了整机工作的硬件实现和主要的软件流程设计。具有电压输出范围宽、电流过流设定保护、短路自动恢复、连续可变的电压功能，电压输出调节范围为24.0~40.0V，电流输出最大为2.0A,步进电压0.1V。
关键词：直流稳压电源;单片机;PWM
I
The design of numerical control dc regulated
power supply
ABSTRACT
This design is based on single-chip microcomputer control system is applied to the method and principle of a switching power supply,digital control technology,will be organically integrated into the design of dc regulated power supply,designed a adjustable output voltage dc switching power supply.Switching power supply with DC-DC full bridge circuit,control circuit adopts STC12C5A60S2 MCU,PWM signal generated by the simulation control chip KA7500B by driving circuit control system for the DC-DC switch tube,realize the stable output voltage,through the keyboard to set the output voltage of power supply,and can show visually through the LCD voltage.The design and analysis the each module circuit and working principle of the machine,the machine work on hardware implementation is given and the main software proce design.Has A wide range of output voltage and over current protection,short circuit current automatic recovery,continuous variable voltage function,the output voltage range of 24.0~40.0 V,2.0 A maximum output current,the step voltage of 0.1 V.Key words:DC regulated power supply;Single chip microcomputer;PWM
II
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1.1研究背景及意义......................................................错误！未指定书签。错误！未指定书签。
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3.3单片机的设计..........................................................................................10
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3.3.2晶振电路........................................................错误！未指定书签。
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一、绪论
1.1研究背景与意义
随着科学的高速发展，电子产品与我们的生活息息相关。任何跟电子有关的，都会需要电源的支撑，随着信息化的普及，在90年代，所谓的开关电源逐渐进入我们的视线，比方各类各样的电子设施。对于开关电源我的理解是一个便于携带并且体积小的一个电源。开关电源的出现给线性电源带来了巨大的冲击，没办法，毕竟时代在进步，我们的科技水平也在进步，所以更加先进、更加可靠、更有效率的开关电源慢慢的出现在世人的眼中。也是逐渐取代线性电源的一个产品，可以说在未来的任何行业中都会有开关电源的影子，它现在已经占据了很大的一部分市场并且这些市场也都在广泛的使用开关电源。尤其表现在电子信息产业，毕竟这个行业需要这样的电源，他们制作的东西越来越便于携带、效率越来越高。所以线性电源也随之被取代。当然在今天还是有一部分的电子产品中的电源依旧没有被取代，但是在不久的将来，我相信开关电源将会在整个市场出现。以及信息类、电子产品的各种电源等都已经开始普遍地应用开关电源，这越发的使开关电源这方面得到了很好的发展。该电源采用的是由单片机开控制电源内部的开关管的导通以及断开的时间，从而保证可以输出一个不变的电压，它是由PWM和金氧半场效晶体管组成。开关电源越来越普及，也越来越精简，功能也越来越全面，所以他很快便普及了各个行业。交换式电源比普通线性电源的体积小，更轻便化，并且便于携带。开关电源是应用于各行各业独特的一个电子设备。它的优势是变换的效率很高、易携带、精准、快速等，很多领域都代替了线性电源。并快速向大功率开发并推进，在此基础上代替了晶闸管相控整流电源[1]。所以说该电源当前以中、小电子装置的普遍技术。在今后的发展过程中，该电源在环境已经能源问题上的运用都有特别的贡献。此应用中的电力电子器件主要都有二极管、金氧半场效晶体管以及绝缘栅双极型晶体管。SCR在开关电源输入整流电路和软启动电路中都有少量的应用，由于GTR驱动困难，开关频率低，所以逐渐被IGBT和MOSFET取代。如今的社会发展以及科技的发展都是进步之快，电源产业也需要像开关电源这样的可靠性好的电源来支撑，所以该电源的问世也是向世界宣称，世界正在走向一个智能化的时代，以前笨重切效率不高的产品将要淘汰。替代他们的将是不断创新，不断完善的科技新产品，正所谓适者生存，这个道理同样在电子产品中适用。所以电源的不断创新，也正因为它的特点，也是在当今的电子产品行业得到很大的立足。单单从分类来说开关电源都已经领先线性电源很多了，毕竟种类繁多，然而线性电源呢，单一并不可靠。种类繁多进而能够促使这个发展的更快，也正因为这个运用的广泛所以才会出现多种的开关电源。所以在我们今后的发展道路上，应该多去研究下这方面。毕竟开关电源是现在世界的主流
1.2国内外发展现状
1.2.1国内现状
我国的开关电源研制工作最初在60年代初期，中期则开始运用，70年代的时候得到了进一步的发展。74年的时候成功的研制出开关净化稳压电源。国内的的电源产业是60年代中期逐步开始，到90年代，随着电子设备的逐步完善，从而也对系统效率的要求也很高，所以开关电源的发展方向也逐步开始智能化。我国的科技水平虽然在世界方面处于领先的一个地位，但是与一些发达的国家相比的话，那我们的水平还是有很大的不足，但是我们也在不断的进步，并且是以一个飞速发展来形容都不为过，毕竟没有那个国家能在这么短的时间发展的这么迅速，从一个半殖民地的国家，到现在成为一个发展中的国家。目前世界上中国是唯一的一个特例。所以在任何的领域我们都是以一个高速发展的角色进入，当然我坚信在开关电源这方面我们一定能够成为领先的一块。因为我们国家不缺人才，并且我们国家的人员很多，在电子产品的消耗中我们比任何国家都多的多，所以我们需要不断的创新，不断的去制造更加适合人们使用的开关电源。只有这样我们的生活才能更好，我们的电子产品也能得到很好的推广。开关电源也算是一个带动一个行业发展的产品，无论从经济还是从学术的方面来说，我们都需要在开关电
一方面，电源产业进入快速发展期。电源产业源方面等到一个更大的突破。规模在扩大；另一方面，我国的在这方面的也开始有了重点的研发。重点为一下部分，一方面是从吸收消化上，另一方面是从跟踪发展到前沿跟踪上，还有一方面是在基础创新上，我国在该产业方面也研究出一批带有国际性的成果及其先进的产品。我国开展了许多的课题，也在技术方面跟国际接轨，并且很有创新。我国与其他国家相比较，在该产业中，还是有很大的缺陷以及达不到人家那边的标准：比如在产品的性能、制造等明显有十五年的不足，尤其在某方面尤为突出，例如：直流恒流的网络化等明显做的工作还是不够。到现在我国在这上面表现最多学校是华工大以及成都科大，该两所大学主要进行CED的使用以及学习等方面，从而达到数控。国内需要更多的大学去对这方面进行研究，毕竟是一个智能化的时代。1.2.2国外发展状况
55年罗那研究出了晶体管直流变换器。当时那个时代是一个再这方面是迅速发展的美国科学家时期，也是晶体管出现的年月，它的诞生使得直流能整流、滤波后输入，不用再重复的进行工频这一步骤，也使得它的领域越来越大，并在此程度上大大的提高了降压变压器开关电源的研究以及产生。这样的一个变压器你们会选择使用么，答案显而易见，所以以往的工频变压器都不用了，然后我们得到了方便、快捷以及又使用的电源。我国在该产业方面的能力还是很欠缺的，尤其像美国这样的国家，我们是无法比拟的，该产品中，我们所生产的产品无法与那些国家相比，他们可以使那些功能很完善，而我们并不能做到这一点，我们需要进一步的去研究，去创新，从而减少这种差距。所有的产品都在走向一个智能化的方向发展，包括电源。开关电源的问世就是这个意思，来告诉大家，在当今这个社会，任何国家都在进步，尤其在制造业，该产业的智能化我们还是有明显的不足，在这个快速发展的世界，我们面临很多竞争跟问题，我们需要客服这些困难，去挑战自己，才能有所进步有所创新。随着国外各项技术的发展，在70年代以后，与这种技术相关的各种高科技电子电气产品不断地研制和生产出来，其中具有代表性元件，使该电源取得了快速的进步。而且在人们的生活中被普遍的应用，在很多领域都有该产品的运用。尤其表现在电子信息产业的发展，在该产品中使用的有太多太多了。所以该领域的研究及其发展还是有很大的空间。不得不说国外在任何行业都是有很大领先，他们在对开关电源不断的研究改进中。使得人们能够用到更准确、更有效率的开关电源。所以开关电源在各个行业的地位显而易见，国外的开关电源毕竟发展的时间比国内要早，虽说科学的领域是无国界的，但是我们都希望自己本国的科学家能够研制出最新型的开关电源，使其在行业中得到更多的认可。所以开关电源必将取代古老的线性电源，无论是国内还是国外。这将是必然的事情。
1.3设计的主要任务及要求
在本设计中我们采用单片机控制直流开关电源并非芯片控制，从而能够更加简单的达到一些功能，然而现在更多采用的都是单片机的控制，比如：实现电压的输出范围宽、短路自动回复等。输出电压可调范围：24~40V；最大输出电流：2A；输出噪声纹声电压峰-峰值小于等于1V；DC-DC变换器的效率大于70%；步进值为0.1V；具有过流保护的功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2。
1.4设计组织结构
本设计中我们最先介绍了开关电源的背景意义，以及他们的发展前景和国内外的情况；然后进行总体方案的选择与论证，接着对硬件电路部分一一进行设计，对软件结构进行规划，给出设计流程图；最后对本设计的工作做了进一步的总结并给我本次设计我所得出的结论。
二、方案设计及论证
2.1方案设计
图2.1所示为数控直流开关电源原理框图。220V的交流电压经过交流滤波器，滤去谐波，补偿消耗的无功功率，然后经过整流滤波电路将交流电压变为直流电压。在本设计中最为关键的一步便是将直流电路（DC）转换成另一固定电压或电压可调的直流电能的DC-DC变换电路，该电路的基本原理是控制IGBT的导通和截止，将直流变为高频交流来变压，从而使得原本的高电压转换成我们负载所利用的电压。电压、电流取样模块将检测的负载电流电压送给单片机，单片机控制输出PWM信号的占空比，以达到稳压输出的目的；通过驱动电路去控制DC-DC的IGBT开关管。键盘是用来设置电源输出电压的一种按钮，它便于实现改变输出电压的功能。输出电压是由显示器来显示的。
图2.1 数控直流稳压电源原理框图
2.2 DC-DC变换电路选择
DC-DC变换器的种类有很多，比如单端式，双端式等。我们本设计采用的便是双端式中的全桥式，因为这种电路能够获得较高的功率，还便于携带。它的原理是四个开关管分为两组其中两个为一组，这两组开关管分别控制电路的导通与断开，并且在两组开关管之间还有一个变压器。这样大大提高了 5
整个电路的输出功率，毕竟两组开关管交替控制，要比一个开关管控制的好很多，效率也很大。不像推挽式的开关电源，只有一个开关管控制，达不到两个控制同时串通的可能性。并且，对于电路中各个器件都要求很高的耐压值，为了使我们能在用更少的器件做更多的开关电源所以我们选择全桥式的方式来做本设计。
驱动使用脉冲宽频调制（PWM）方式，脉冲周期恒定，通过改变高低脉冲电压宽度的占空比来调节输出电压[4]。脉宽调制方式可以使开关管导通时间随着负载电流的下跌而减小，从而降低开关损耗，提高效率。
2.3单片机选择
主控电路选择的是单片机控制电路，为了减少外围电路元件，所以选用含有PWM功能的专用芯片，又因为我们有电压/电流检测电路，因为在我们本设计中的电路所得到的信号都为模拟信号，所以我们需要一个数模转换部分，为了使电路更加简单快捷，便于操作，所以我们选择了宏晶科技生产的STC系列中的STC12C5A60S2单片机，并且内具有数模转换部分，而且内部有MAX810专用复位电路。因此选择该单片机。
图2.2 STC12C5A60引脚图
2.4驱动电路选择
KA7500B是一个频繁用于高压电路中的电压驱动型脉宽调制器，它在此领域应用广泛，是直插式的封装。在该芯片内部总共有两种方式，这两种方式对于驱动的选择尤为重要，也是别人选择该芯片作为驱动的重要原因。该芯片工作频率范围：1KHZ至300KHZ。它包含了开关电源控制所需的主要功能块，输出脉冲宽度是由死区时间控制和反馈PWM比较器输入两个信号中电平较高的一个控制，为了使我们的设计更加完善，我们在此电路中得到两种信号，这两种是不一样的，所以我们需要拿他们两个来进行一个比较，最后才能完成脉冲看度度的调节。因此驱动电路选用KA7500B电路。
2.5显示器的选择
对于显示器的选择，我们本设计采用的是液晶显示器来显示输出电压，那么要求必然是方便，从资源的方面来说，消耗越小越好，便于携带，因为我们最终需要显示的是数字模式，所以我们必须选择带有数字接口的显示器。7
液晶1062液晶显示器，正好符合我们要求，它体积小便于携带，操作没有那么繁琐，重点是它带有数字式的接口，所以我们选择1602液晶显示器。
三、系统硬件设计
3.1滤波整流的设计
对于整流电路，首先我们需要知道整流电路在本设计中的作用，我们才能够更加准确的去选择一个合适的整流电路，从而使我们能够更加有效的完成本次的设计。该电路在整个设计中能起到交流变为直流，因为我们所接的电源是220V交流电压，而我们需要得到一个直流稳压的电源，所以就需要整流电路来进行一个变换。整流电路的方式有很多种，本设计中采用的是桥式整流电路，因为桥式整流电路的输出电压高，谐波电压较小（自身电路带来的影响很小）等优点。充分利用了该电路的特点来使设计更加全面各加可靠。桥式整流电路也是被应用很多，它也能是电源变压器得到充分的利用即提高了利用的效率。
为了使输出的电流更加的平滑，更加的准确，本设计采用了电容滤波器来进行滤波，滤除那些对本设计有影响的谐波，如图3.1所示。
图3.1 电容滤波器电路图
从3.1图中我们可以清晰的看到电容滤波器的电路是怎么样连接的，电路中的L1、L2他们的线圈匝数是相等，它们两个的作用是抑制作用。只要有它们两个在就会有很好的抑制作用，因为它们两个能够产生一个数值相当大的高阻抗，从而获得非常好的滤波效果。
在本设计中我们在选择滤波元件时，经过精准的计算我们得，其中L1和L2均为20mH,C1、C2选择：0.1-2μF。至于C3、C4为4700pF。这么做选择能够更好的抑制噪声对本设计的干扰，已经谐波对本设计的干扰。所以我们通过本电路可以有效的得到滤波。
3.2 DC-DC电路的设计
3.2.1原理
图3.2为全桥式原理图，本部分也是该设计的核心内容，因为开关电源的由来就是由DC-DC变换电路来设计的，那么我们来看下全桥式电路的原理以及组成。首先在该图中我们看到拥有4个控制开关，并且是并联在电路中，也可以说K1和K2为一体K3和K4为一体。这4个开关管的作用，当整个电路都在工作的时候，这四个开关管肯定是两个接通，两个关断的。所以能够得到一个轮换的工作。这两组开关管各控制一个电桥，从图中我们可以看出，变压器的连接方式有点特别，它接在两个电桥之间。所以我们成这样的接线方式为全桥式的开关电源电路。
图3.2 全桥式原理图
3.2.2 DC-DC电路
图3.3 DC-DC电路图
3.2.3主要参数计算方法
直流输出电压可调式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算：
nN32U0(1D)N1Ui式中，N1为变压器初级线圈N1或N2绕组的匝数；N3为变压器次级线圈的匝数；U0为直流输出电压；Ui为直流输入电压。
将上述公式变形得U0nU1
2(1D)可见通过改变占空比，可以改变输出电压U0。当占空比越大时，输出电压越大，当占空比越小时，输出电压越小。
3.3单片机的设计
P1.4-P1.7口用于1602显示器的驱动;P1.0口用于输出电压的数模转换P1.1口用于负载电流的数模转换。由于输出电压为24-40V,在P1.0口用电阻进行了10:1的降压,确保输入电压在5V以下;P3.7口输出50kHz左右脉宽调制信号通过滤波应用于KA7500B以控制开关管的脉冲宽
作。度;P3.2-P3.4口安装3个轻触开关用于电源的控制操3.3.1复位电路
本系统复位电路如3.4图所示，图3.4 复位电路
3.3.2晶振电路
晶振电路工作原理：晶振电路采用内部时钟连接方式，连接方式如3.5图所示。当电路采用内部时钟连接方式时，单片机片内的高增益反相放大器通过XTAL1，XTAL2外界作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成并联谐振回路构成一个自激电路，向内部时钟电路提供振荡时钟[7]。
晶振与单片机的引脚组成振荡电路中会有谐波产生，电路连接方式如3.5图所示，但是这个谐波对连接方式振荡并没有什么影响，可以说微乎其微，但是它电路的时钟振荡器的稳定性会有所降低，为了保障电路的稳定，ATMEL公司只是建议加上两个电容来减少谐波带来的负面影响。本电路晶振选用12MHZ晶振，电容C7，C8的大小对振荡频率由微小的影响，可起频率微调的作用，所以选用30pF。
图3.5 晶振电路
3.3.3键盘电路
键盘电路如下图所示分别为“加”键、“减”键以及“确认”键，K1表示加，K2表示减，K3表示确认。
图3.6 键盘电路
3.4显示电路
3.4.1电路图
该设计采用的是1062液晶显示器。如图3.8。
图3.7 显示电路
3.4.2主要技术参数和性能
显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm[15]。
3.5驱动电路
3.5.1原理
驱动电路原理图如3.9图所示：本设计采用KA7500B来进行驱动，该芯片工作频率范围：1KHZ至300KHZ。它包含了开关电源控制所需的主要功能块，输出脉冲宽度是由死区时间控制和反馈/PWM比较器输入两个信号中电平较高的一个控制，为了使我们的设计更加完善，我们在此电路中得到两种信号，这两种是不一样的，所以我们需要拿他们两个来进行一个比较，最后才能完成脉冲看度度的调节。
图3.8 驱动电路
图3.9 KA7500B引脚排列图
3.6电压反馈电路
3.6.1电压反馈电路
电路图如3.11图所示，它在我们开关电源中的作用则是用来调控电压，最终能使我们得到一个稳定的输出电压。如3.11图所示，电压发生变化时，通过电路中的各个元件来调节电压，电路中的两个电阻作为分压电阻，从而使U15的电压发生变化，然后与其最开始的电压做比较，便会产生一个信号，通过放大电路来放大信号，由此传到控制芯片，进而对输出电压进行调整，最终我们便能得到一个稳定的电压。
图3.10 电压反馈电路
3.6.2 UC3842简介
UC3842属于一个电流控制型脉宽调制芯片，该芯片常用于开关电源的设计中，它的外围电路简单，也常应用于电子电路的设计当中，所以本设计采用该芯片。它能够更加的稳定我们的输出电压，从而使我们的设计更加的完善以及完美。因为在该芯片当中有双闭环控制系统，所以电压稳定度非常的高。这也是我们选择该芯片的原因之一。还有就是该芯片能够起到一个过流的保护作用，可以防止功率管不被破坏。图3.12是我们UC3842芯片的内部结构图。从该芯片的结构图中我们也可以看出，它的所有电路基本都会使 15
我们能够得到一个稳定的输出电压。并且也可以保护我们电路中的一些元件，避免操作不当或者执行的过程中造成损坏而浪费。该芯片的各个引脚基本的作用基本都是维护系统正常工以及使电路的电压稳定输出，它的脉宽调制器输出的脉冲周期不变，但是它的宽度会随反馈电压的大小来改变。宽度变宽，周期就长，变窄则周期短，这样便能使我们的电路输出一个稳定的电压。
图3.11 UC3842内部结构图
四、系统软件设计
4.1主程序
首先我们要从液晶显示器中获得本有的数据，并且我们也是有最初的输出电压，两者对比，从而才能知道是否得到稳压；其次利用按键进行输出的调整；最后我们需要使最终的输出电压需要显示在液晶显示器中，查看并记录，方便后续的计算以及分析。程序的流程图如图4.1所示。
图4.1 数控直流开关电源控制主程序流程图
4.2稳压控制程序
稳压控制程序的主要功能是实时测量输出的电压与电流值,并与设定输出输出及保护电流比较,控制输出电压的稳定及进行过流保护[12]。STC12系列的单片机具有8路AD转换口及其4路的PWM的输出口，这样更加方便快捷的实现稳压的控制，以及模拟信号变为数字信号更加迅速，也方便了我们对于数据的测量，最后对于测量出的电压、电流值进行计算与对比，从而能够达到我们设计中稳压的目的。
4.3键功能程序
该程序就是为了来便于电压的一个改变的操作。我们需要对在本设计中使用到的IO口的输出进行一次对比，并且我们需要这些输出必须跟按键值为同一个输出才行，则让扫描计数器加1当计数器的值已达到20说明读取20次键值都相等说明的确有键按下（正是在键值稳定区读取）若读取小于20次时，前后两次键值出现不相等就说明是键盘抖动或是干扰，这时让扫描计数器清0，起到消除抖动，及干扰作用。
图4.2 键盘程序流程图
五、调试性能分析
由于在电源板设计调试中有高压部分，因此220V的供电要求采用隔离变压器，以保证调试中的人员安全及测试设备（示波器）安全。开关电源调试时，先用较低的交流电压（50~100V）进行测试，脉宽控制端可用电位器进行输入控制电压的设定[13]。带波形及相关的电路数据正常后再输入220V的正常交流电压，最后将单片机控制电路与电源板连接进行调试。经过上述的步骤我最后对该设计进行了系统全面的分析，能够得到的结论如下： 1.输出电压可调范围：24~40V 2.最大输出电流：2A 3.输出噪声纹波电压峰-峰值小于等于1V 4.DC-DC变换器的效率大于70% 5.具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2
结论
本设计主要设计的是一款数控直流开关的电源设计，是由STC系列的单片机来控制的，整个设计中主要采用了整流滤波，最为重要的为DC-DC转换、单片机控制、驱动、电压反馈、显示这些主要电路以及按键电路几个部分。其中将交流变为直流的是整流电路；因为滤波电路可以过滤掉纹波，所以采用滤波电路则是为了得到更加平稳的电压；为了使电路的简单，使步骤的简化，毕竟多一个数模转换还是比较麻烦的，所以在本设计中我们采用带有数模转换芯片的单片机STC12C5A60S2，并且它也可以控制PWM的信号，从而使得电压稳定输出；驱动的部分则是用了KA7500B芯片，从而对变换电路的导通和截止进行控制；键盘的部分我们这边比较简单，就是单纯的来控制一个电源的输出电压；显示部分则是运用了1062液晶显示器，从而能使电压更加清晰的展现在我的面前，更加直观的看出电压；我们本设计最重要的部分DC-DC电路，则是采用的全桥式的形式，它的优点输出功率大、效率高等，该电路的主要功能则是将固定的直流电压改变为可调的直流电压。最后我们通过软件的放来来实现各个部分的控制，从而更加简单的就得出了我们的最后结论，软件的方式也使我们的系统变得简单，容易调节电压输出范围宽以及电路的保护功能的设定。
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