基于.--单片机控制的DC~DC变换器的设计

1、 .wd.目录第一章绪论11.1 系统背景11.1.1 绿色节能型开关电源11.1.2 智能化数字电源11.1.3 可编程开关电源21.2 电源技术的开展与方向21.2.1 线性电源和开关电源21.2.2 电源技术的开展方向31.2.3 开关电源的市场前景和研究现状4第二章系统的总体设计52.1 方案论证52.1.1 DC-DC主回路拓扑构造52.1.2 控制方法及实现方案62.2 主体思路62.3 软件设计思路82.3.1软件系统的逻辑控制92.3.2软件系统的构造92.4软件设计局部概述92.4.1 程序设计方法102.4.2 软件设计步骤10第三章系统硬件设计113.1 隔离式高频开关电源113.2 输入电路设计123.2.1 电压整流技术123.2.2 输入滤波电容123.2.3 输入浪涌保护器件133.2.4 输入尖峰电压保护143.3 功率变换电路设计143.3.1 隔离全桥推挽变换电路143.3.2 推挽式变压器开关电源储能滤波电感参数的计算163.3.3磁芯的选择193.3.4计算脉冲信号的最大占空比D193.3.5计算一次绕组的电感量L203.3.6确定一次绕组的匝数

2、N203.3.7确定自馈绕组N和二次绕组的匝数203.3.8计算空气隙213.3.9设计本卷须知213.4 功率管MOSFET及其驱动213.4.1 功率管MOSFET213.4.2 驱动电路233.4.3 死区时间的设计273.5 输出电路设计283.5.1 PWM滤波电路设计283.5.2 检测保护电路设计303.6 PWM控制电路313.6.1 TL494的构造和性能313.6.2 输出电压直接分压作为误差放大器的输入343.7 单片机控制模块353.7.1 C8051F350系列单片机特点353.7.3 STC12C5616AD特点373.7.4 STC12C5616AD应用373.7.6 可调式精细并联稳压器TL431393.7.7 单片机双机串行通信403.8 人机交换模块413.8.1编码电位器输入模块413.8.2 LED显示器的显示方式423.8.3 数码管显示电路原理423.8.3 74HC595芯片性能42第五章系统调试434.1 系统调试434.1.1 系统调试的一般步骤44第六章总结与建议46完毕语47致谢49附录1局部程序代码50附录2硬件附图57第一章 绪

3、论1.1 系统背景开关电源已有几十年的开展历史。1955年创造的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；1957年创造的自激推挽式双变压器，1964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。1977年脉宽调制PWM控制器集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。与此同时，开关电源的频率也从最初的20KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向开展。各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。1.1.1 绿色节能型开关电源 目前，国外许多著名的IC厂家都在大力开发低功耗，节能型开关电源集成电路。例如，美国PI公司采用EcoSmart节能技术，开发的TOPSwitch-GX等系列的单片开关电源。PI公司最近宣布，由于使用该公司EcoSmar技术的单片开关电源IC，可为全球消费者节约大约20亿美元大的电费。荷兰Philips公司推出的TEA1520等系列的绿色芯片，都将高效节能放在重要位置。与此同时，绿色节能电源的国际标准也被普遍

4、采用。例如，美国早在1992年就制定了“能源之星方案，以降低开关电源的空载功耗。美国加州能源委员会CEC制定的强制性节能标准已从2006年7月1日开场执行，它要求电子产品必须大幅降低待机功耗和空载功耗。1.1.2 智能化数字电源21世纪初问世的智能数字电源系统以其优良特性和完备的监控功能，越来越引起人们的关注。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，数字电源还可以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，过电流保护以及防止停机等。数字电源的推广，为实现智能化电源系统的优化设计创造了有力条件。数字电源的特点有下面几点。它是以数字信号处理器DSP或微控制器MCU为核心，采用“整合数字电源技术实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源到达高技术指标。便于构成分布式数字电源系统。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

5、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，可构成由计算机控制的可编程开关电源。1.2 电源技术的开展与方向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。线性电源要到达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(85V265VAC)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

6、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。但是最近这几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛开展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化开展，而后绝缘门极双极晶体管的出现，又为大中型功率电源向高频开展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热保护电路、限流电路、过/欠压保护电路等。通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高，转换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。理论分析和实践经历说明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。如果把工作频率从工频50H

7、z提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积重量可以下降至工频设计的5-10%，其主要材料可节约90%或更高。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。因此，开关电源代替线性电源是大势所趋1。1.2.2 电源技术的开展方向开关电源产品的技术开展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。 1高效电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源开展的一种集中表达。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源标准，也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效率尤为重要。 2低功耗随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个

8、半导体产业中最为活泼的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步开展。 3智能化运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大多数笔记本，普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态控制，对暂不工作的部件减少甚至停顿供电。 4高集成便携式应用的空间十分有限，这就迫使电源供给商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低本钱，提升效能与可靠度。 5多功能2005年，美国国家半导体公司(NS)宣布推出一款可为先进应用及通信处理器提供供电的电源管理产品。它具有可编程的灵活性，可为采用ARM技术的应用及通信处提供稳定的供电。它的电源管理单元Flex PMU是一个单芯片的解决方案，设有一个在一起的供电区。1.2.3 开关电源的市场前景和研究现状电源管理始终是模拟IC市场最亮的看点，占到整个模拟IC市场31.2%的份额。据研究机构预测，2008年全球电源管理芯片销售额将上升至295亿美元，2003年到2008年的年复合增长率为1

9、2.7%，功率模拟器件将持续强劲地增长，PC、手机、数码相机、MP3以及数字电视成为最主要的增长市场。从应用领域看，电源管理芯片市场的焦点集中在便携式产品、消费类电子、计算机、通讯和网络设备应用领域，同时工业设备、汽车电子对电源管理芯片的需求也呈上升趋势，这些需求让电源管理芯片市场倍添活力。由于人们在生活和工作中的移动性越来越强，对手机、数码相机、笔记本电脑、MP3播放器等便携式产品的需求将越来越大，预计2010年全球所有便携式产品的出货量将到达45亿个，这些产品构成了电源管理芯片巨大的需求市场。另外，由于便携式产品中彩屏、音视频、GPS等功能的日益多样化，对电源管理芯片的要求也日益提高，如便携式产品的空间十分有限，这就要求电源管理芯片厂商把更多的功能集成在更小封装内。我国于1974年研制成功了工作频率10KHz，输出电压为5V的无工频降压型开关电源。近20多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压型开关电源，并应用于电子计算机、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100KHz-200KHz的高频开关于上世纪80年代初期己开场研制，90年代初就已研制成功，并逐渐走向实用阶段进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。第二章 系统的总体设计2.1 方案论证开关电源具有较快的开展，从而产生了不同的设计思路。开关电源的一般构造框图如图2.1所示，本设计通过对不同的方案的比照得出了最正确方案的设计

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