1 前言
1.1課題研究意義開關(guān)電源顧名思義,開關(guān)電源便是使用半導(dǎo)體開關(guān)器件(如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等),經(jīng)過控制電路,使半導(dǎo)體開關(guān)器件不停地“導(dǎo)通”和“關(guān)閉”,讓半導(dǎo)體開關(guān)器件對(duì)輸入的電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制,從而完成直流到交流、直流到直流電壓變換,和輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。
開關(guān)電源一般有三種工作模式:頻率、脈沖寬度固定模式,頻率固定、脈沖寬度可變模式,頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于直流交流逆變電源,或直流/直流電壓變換;后面兩種工作模式一般用在開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外,開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作式樣:直接輸出電壓的方式、平均值輸出電壓的方式、幅值輸出電壓的方式。同樣的,前一種工作方式經(jīng)常用在直流/交流逆變電源,或直流/直流電壓變換;后兩種工作模式經(jīng)常用于開關(guān)穩(wěn)壓電源[1]。
1.2研究現(xiàn)狀及存在問題近半個(gè)世紀(jì)以來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行了很多的研究,取得了很多的成果。
1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀上個(gè)世紀(jì)的50年代初,美國(guó)宇航局為了搭載火箭,開關(guān)電源誕生了,這便是開關(guān)電源誕生的起源,此開關(guān)電源以小型化、輕巧化為目標(biāo)。在歷史進(jìn)程中進(jìn)行了近半個(gè)多世紀(jì)后,開關(guān)電源技術(shù)越來越成熟,更因具備了性能穩(wěn)定、小、發(fā)熱較低、輕、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)慢慢的在取代了傳統(tǒng)電源技術(shù)下所制造的不間斷工作電源,并在電子設(shè)備等各領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。最終在80年代,率先完成了大部分電子產(chǎn)品的電源換代,同時(shí)也完成了全面開關(guān)電源普及化。在到來的20世紀(jì)90年代,開關(guān)電源更是進(jìn)入了快速發(fā)展的黃金時(shí)間,家電、電子設(shè)備都得到更廣泛的應(yīng)用。又經(jīng)歷了幾十年的努力下,現(xiàn)在的開關(guān)電源技術(shù)都有了技術(shù)性的重大突破與發(fā)展。更多新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與開發(fā)將當(dāng)代開關(guān)電源又帶上了另一個(gè)全新的時(shí)期,在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用更是推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展,其中以其小型化、簡(jiǎn)便化的特征尤為突出。
1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)學(xué)者有關(guān)開關(guān)電源的研究,有以下研究狀況:
伴跟著開關(guān)電源的誕生,1960年代初期,我國(guó)開始對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行的設(shè)計(jì),研制并加以生產(chǎn)。直到60年代中期才開始慢慢地進(jìn)入了實(shí)用的階段。在對(duì)開關(guān)電源有了一定認(rèn)識(shí)后,我國(guó)在70年代初期便試著開始對(duì)無工頻降壓變換器進(jìn)行深入研究應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)壓電源上,繼而對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)。最終在1974年,我國(guó)第一臺(tái)工頻降壓變壓器式的開關(guān)電源被研發(fā)出來了,輸出電流是5v,工作頻率是10KHz。跟著我國(guó)開關(guān)電源的向前發(fā)展,我國(guó)許多研究所、工廠等在近十年發(fā)展中也紛紛研制出來了無工頻降壓變換器的開關(guān)穩(wěn)壓電源,這種開關(guān)電源的工作頻率大概在20K左右,輸出的功率在1000W以下,但是其型號(hào)與用途眾多,都投入電子設(shè)備、電視機(jī)、通信等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的使用。跟著時(shí)期的發(fā)展,因?yàn)槲覈?guó)半導(dǎo)體與工藝跟不上時(shí)期的潮流,導(dǎo)致了自己生產(chǎn)與研制的開關(guān)穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵元器件大部分仍要經(jīng)過國(guó)外進(jìn)口,導(dǎo)致當(dāng)代開關(guān)電源技術(shù)與一些先進(jìn)國(guó)家相比仍存有巨大的差距。
1.2.3目前存在的問題綜上所述,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的開關(guān)電源普遍存在以下四大方面的問題:
1)多數(shù)使用模擬IC控制,控制式樣不夠智能化;
2)不能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況;
3)多數(shù)開關(guān)電源為固定輸出;
4)可調(diào)的開關(guān)電源只能通過電位器模擬調(diào)整,不能直接得到準(zhǔn)確的預(yù)設(shè)電壓。
1.3研究?jī)?nèi)容和方式為了設(shè)計(jì)一種更加智能化的開關(guān)電源,必須進(jìn)行更深入的開關(guān)電源機(jī)理研究,下文字闡述了具體的研究?jī)?nèi)容以及研究方法。
1.3.1研究方案設(shè)計(jì)出一種基于STC系列51單片機(jī)的BUCK型直流降壓開關(guān)電源是本課題所要研究的主要內(nèi)容。本系統(tǒng)需要達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)是:在系統(tǒng)完成后,系統(tǒng)能預(yù)置電壓,其步進(jìn)的電壓為1V,輸出的電壓的限度為0V~10V,輸出電流為0~1A。同時(shí)液晶顯示屏上可以顯示出所預(yù)置的電壓,另有實(shí)時(shí)的輸入輸出電壓,實(shí)時(shí)的電流,來使得本系統(tǒng)可以讓調(diào)整速度加快、提升精準(zhǔn)度,同時(shí)也能使得電壓和負(fù)載的調(diào)整率降低,提升系統(tǒng)的效率,不在附加額外的電源板,最后還可以讓輸出的紋波變小等。
1.3.2內(nèi)容安排1. 首先了解課題研究的意義,和國(guó)內(nèi)國(guó)外相關(guān)發(fā)展動(dòng)態(tài)。
2. 大致的概述設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的系統(tǒng)方案。
3. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),包括輸出電路,直流斬波電路,PWM發(fā)生電路,顯示電路設(shè)計(jì)等。
4. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),對(duì)應(yīng)用的編程軟件進(jìn)行流程圖講解,對(duì)所用方式進(jìn)行概述所。
5. 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試,對(duì)做好的機(jī)開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)試與數(shù)據(jù)測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。
6. 最后簡(jiǎn)要的總結(jié)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作要點(diǎn)和所得收獲。
2系統(tǒng)分析
直流/直流變換是將固有的直流電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)整的電壓,又叫做直流斬波。它有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本系統(tǒng)應(yīng)用的是BUCK(降壓式變換電路)型直流/直流,其特征是輸出的電壓比輸出電壓低。如圖2-1所示。
當(dāng)Mos管或者三級(jí)管導(dǎo)通很長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間后,所有的元器件均處在一種理想狀態(tài)的情況下,此時(shí)電容的電壓會(huì)等于輸入的電壓。在這樣的條件下,我們使用BUCK變換器的充電和放電這兩個(gè)階段來對(duì)這個(gè)電路進(jìn)行說明:
2.2.1在電感充電的情況下當(dāng)BUCK變壓器處于充電的過程時(shí),將開關(guān)閉合,此時(shí)三級(jí)管處于導(dǎo)通的狀態(tài),可以用一條導(dǎo)線來替代,替代后的等效圖如下。當(dāng)輸入的電壓經(jīng)過電感這時(shí)刻,二級(jí)管因?yàn)榉唇樱詻]起到作用,這里刪去。再加上輸入的是直流,因此電感發(fā)生的電感電流是成比率上升的,具體上升多少與電感的大小有關(guān)系,電感相當(dāng)于一個(gè)恒定電流源,起傳遞能量作用,電容等于恒定電壓源,在電路里起到濾波的作用。BUCK變換器充電階段等效圖如圖2-2所示。
當(dāng)BUCK變壓器處于放電的過程中,開關(guān)管子已經(jīng)斷開,此時(shí)的三級(jí)管處于截止?fàn)顟B(tài),這里把它拿掉,等效電路圖如下。在開關(guān)斷開的時(shí)間里,因?yàn)殡姼械谋3蛛娏鞑蛔兲卣鳎姼猩系碾姼须娏鞑粫?huì)一下子下降到零,而是把充電完成后所累積的電流值慢慢下降到0。在這個(gè)過程中,因?yàn)樵瓉淼碾娐芬呀?jīng)斷開了,因此電感沿著之前的方向,經(jīng)過二極管D形成一個(gè)新的回路的,即流過電容對(duì)電容進(jìn)行充電,從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的不間斷的電流。BUCK變換器放電階段等效圖如圖2-3所示。
綜上所述,BUCK變換器的升壓過程便是電感能量?jī)?chǔ)存和釋放的過程。在充電的過程時(shí)。電感通過流過它自身的電流不斷儲(chǔ)存能量,在放電的過程時(shí),假如電容容量足夠大,那電容的兩端就可以在放電的過程中保持一個(gè)持續(xù)不間斷的電流放電,假如這個(gè)通斷的過程不斷的被重復(fù),那么就可以夠讓電容兩端的電壓低輸出的電壓,從而完成降壓的目的。
2.3 Buck波形分析波形如下所示。
本設(shè)計(jì)采用串連型開關(guān)電源,其穩(wěn)壓原理框圖如圖2-4所示。在MOS管導(dǎo)通的時(shí)刻,電感L將流過的電流轉(zhuǎn)換成磁能進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存,電容C將流過電感L的部分電流轉(zhuǎn)換成電荷儲(chǔ)存。在MOS管關(guān)斷的時(shí)刻,電感L發(fā)生反向電動(dòng)勢(shì),輸送給負(fù)載R并與續(xù)流二極管D組成回路,同時(shí)電容C將電荷轉(zhuǎn)換成電流向負(fù)載供電。
經(jīng)過不斷導(dǎo)通與關(guān)斷MOS管,使uo發(fā)生脈動(dòng)電壓,經(jīng)過LC濾波電路使脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)變成較穩(wěn)定的直流電壓Uo輸送給負(fù)載,輸出電壓Uo的電壓值與MOS管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間成正比。當(dāng)外部因素使輸出電壓或電流發(fā)生變化時(shí),經(jīng)過單片機(jī)自帶的10位ADC實(shí)時(shí)采集輸出的電壓和電流,實(shí)時(shí)調(diào)整開關(guān)K導(dǎo)通的占空比,從而組成閉環(huán)電壓控制電路,使輸出電壓能達(dá)到穩(wěn)定。
綜合以上的分析論證,本單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用BCUK拓?fù)洌?jīng)過原理分析和認(rèn)證,最終推導(dǎo)選擇了合適的電容和電感。
基于單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì),由STC單片機(jī)、變壓器,整流濾波電路,BUCK主回路、降壓穩(wěn)壓電路、按鍵電路、液晶電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路等組成。總體設(shè)計(jì)框圖如3-1圖所示。下面分別論證這些方面的詳細(xì)方案選擇。
STC12C5A60S2單片機(jī),在指令代碼的方面可以完全兼容傳統(tǒng)8051,同時(shí)它的速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)要快8-12倍,體現(xiàn)了其高速度的一面。這系列單片機(jī)其里面有專用的集成復(fù)位電路,另有8路高速的10位ADC轉(zhuǎn)換,同時(shí)還兼有2路的PWM等,它的功能之強(qiáng)大遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的8051系列。
IR2104是一種高性能的半橋驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片內(nèi)部是采用被動(dòng)式泵荷升壓原理。上電時(shí),電源流過快恢復(fù)二極管D向電容C充電,C上的端電壓很快升至接近Vcc,這時(shí)假如下管導(dǎo)通,C負(fù)級(jí)被拉低,形成充電回路,會(huì)很快充電至接近Vcc,當(dāng)PWM波形翻轉(zhuǎn)時(shí),芯片輸出反向電平,下管截止,上管導(dǎo)通,C負(fù)極電位被抬高到接近電源電壓,水漲船高,C正極電位這時(shí)已超過Vcc電源電壓。因有D的存在,該電壓不會(huì)向電源倒流,C此時(shí)開始向芯片里面的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電,C上的端電壓被充至高于電源高壓的Vcc,只要上下管一直輪流導(dǎo)通和截止,C就會(huì)不斷向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電,使上管打開的時(shí)刻,高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設(shè)計(jì)難道,只要電容C選擇恰當(dāng),該電路運(yùn)行穩(wěn)定。IR2104應(yīng)用電路圖如3-3所示。
線性降壓芯片7805。這個(gè)穩(wěn)壓IC需要的外圍元件很少,IC內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)措施,不但價(jià)廉且輸出電壓很穩(wěn)定。78系列的穩(wěn)壓集成塊要考慮輸出與輸入壓差帶來的功率損耗,所以一般輸入輸出之間壓差要大于2V。其應(yīng)用電路圖如圖3-4所示。
方案一:霍爾電流傳感器。電流流過霍爾傳感器的線圈發(fā)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)隨電流的大小變化而變化,磁場(chǎng)匯集在磁環(huán)內(nèi),霍爾元件輸出跟著磁場(chǎng)變化的電壓信號(hào)。經(jīng)過檢測(cè)電壓值,能得到電流的大小。
方案二:電阻分壓檢測(cè)電路。經(jīng)過在輸出回路中串連采樣電阻,將經(jīng)過電阻的電流轉(zhuǎn)換成兩端的電壓,經(jīng)過檢測(cè)電壓值從而獲得電流值。該檢測(cè)方式電路和程序控制都比較簡(jiǎn)潔。
要完成對(duì)輸出電壓和電流的閉環(huán)控制,務(wù)必對(duì)輸出電流和電壓進(jìn)行采樣反饋。本設(shè)計(jì)采用如下圖所示的電流電壓檢測(cè)電路。為了便于MCU采集,分壓電阻發(fā)生的電壓經(jīng)過由LM358組成的同相比例放大器放大后,輸入到MCU的ADC端口。
LM358內(nèi)部集成的是雙運(yùn)放,單電源和雙電源都能使其工作。
輸出最大電流為2A。本設(shè)計(jì)采用電阻分壓的式樣對(duì)輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),因?yàn)椴蓸与妷褐苯虞斔徒o單片機(jī)10位ADC進(jìn)行檢測(cè),單片機(jī)供電電源為5V,所以其內(nèi)部自帶的檢測(cè)的最高電壓也為5V, 這個(gè)電路中,LM358由5V電壓供電,最大輸出電壓和供電電源電壓之前有1.2V壓差,所以能輸出最大電壓為:
目前單按鍵這種模式的鍵盤使用方便,響應(yīng)的快并且接口還簡(jiǎn)潔。綜合以上本系統(tǒng)采用的是非編碼式鍵盤。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了3 個(gè)按鍵,按照軟件來定義它的功能,鍵盤與單片機(jī)的P2.3、P2.2、P2.1鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備。
S1為開關(guān)按鍵,按一下即有輸出,按第二下即輸出停止,如此循環(huán)
S2為輸出電流增加。
S3為輸出電壓減少。
如圖3-8所示
系統(tǒng)采樣1602液晶顯示。液晶驅(qū)動(dòng)電流較小,能顯示較大信息量,無需增外設(shè)電路。
能顯示多行數(shù)據(jù),方便用戶進(jìn)行更多的操作。
能顯示輸入輸出的實(shí)時(shí)電壓,輸出的實(shí)時(shí)電流,預(yù)設(shè)的輸出電壓。如圖3-9所示
綜上所述,本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)發(fā)生47KHZ的PWM脈沖信號(hào),經(jīng)過IR2104控制MOS,從而控制整個(gè)BUCK(降壓式變換)電路。單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測(cè)電流實(shí)時(shí)反饋電流和電壓數(shù)值,并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比,形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵能設(shè)置輸出電流從0.2A到2A,以0.01A遞增,輸出最大10V,液晶能顯示實(shí)時(shí)輸出電流與電壓。總體電路圖如3-10所示。
51的語言主要有匯編和C兩種。匯編雖然運(yùn)行快,但是編程繁瑣,移植性差;C具備良好的可讀性和移植性。本系統(tǒng)采用C語言編寫程序,Keil C51作為集成開發(fā)環(huán)境。
4.1電壓電流雙閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)電流 | 電壓 | PWM | |
條件 | >2A | >10V | ++ |
<=10V | -- | ||
<=2A | >10V | -- | |
<=10V | -- |
軟件設(shè)計(jì)包括:主程序設(shè)計(jì),按鍵子程序設(shè)計(jì),ADC中斷程序設(shè)計(jì)
4.2主程序程序設(shè)計(jì)主程序主要處理對(duì)時(shí)間要求不敏感的數(shù)據(jù),例如按鍵檢測(cè),和顯示電壓電流狀況,
此中顯示這些數(shù)據(jù)時(shí)刻采用數(shù)字平均濾波算法,采集50個(gè)數(shù)據(jù),繼而取平均值,使得到的數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)狀況,使得顯示出來的電壓和電流不會(huì)亂跳,抗干擾能量得很大的提升。
按鍵子程序中,按加鍵的話,增加輸出電壓預(yù)設(shè);按減鍵的話,降低輸出電壓預(yù)設(shè);按開關(guān)鍵的話,能控制IR2104的工作與否,從而控制整個(gè)BUCK的工作與否。
ADC中斷程序中,因?yàn)橛休斎腚妷海敵鲭妷海敵鲭娏鬟@3個(gè)數(shù)據(jù)要監(jiān)測(cè),所以采用通道輪流詢問的辦法完成。
于此同時(shí),要完成電流電壓檢測(cè)的雙閉環(huán)的話,要在ADC程序中加入PWM處理程序,使得當(dāng)輸出負(fù)載變動(dòng),引起檢測(cè)到的輸出電壓ADC值變動(dòng),PWM需要實(shí)時(shí)響應(yīng)這個(gè)變化,所以在ADC程序中,要加入PWM的重裝數(shù)據(jù)的語句。
void ADC_interrupt()interrupt 5 //ADC轉(zhuǎn)換完后ADC_FLAG由硬件自動(dòng)置位,
{
uint ADC_value; //ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果 10位
ADC_CONTR&=!ADC_FLAG; //clear ADCflag
ADC_value=(ADC_RES<<2)+ADC_RESL; // ADC_value=(ADC_RES<<2)+ADC_RESL;
switch(channel)
{
case 0: Battery_voltage=ADC_value;
channel=1;
break;
case 1: Boost_Buck_current=ADC_value;
if(!lock)
{
if((Boost_voltage<370)&&(Boost_Buck_current<(OUT_Current<<1))) //((Boost_voltage<Boost_temp)&&
{
PWM_temp--;
if(PWM_temp<10) PWM_temp=10;
}
else
{
PWM_temp++;
if(PWM_temp>250) PWM_temp=250;
}
CCAP1H = CCAP1L =PWM_temp;
}
channel=2;
break;
case 2:Boost_voltage=ADC_value;
channel=0;
break;
default:break;
}
ADC_CONTR=0xE8|channel;
ADC_ready=1;
}
STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測(cè)電流實(shí)時(shí)反饋電流和電壓數(shù)值,并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比,形成電流電壓雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵能設(shè)置輸出電流從0.2A到2A,以0.01A遞增,輸出最大10V,液晶能顯示實(shí)時(shí)輸出電流與電壓。
5系統(tǒng)測(cè)試5.1實(shí)物圖片實(shí)物由萬用板手工焊接,板子的正面(a)和背面(b)如圖5-1所示。
測(cè)量電路點(diǎn)如圖5-3所示(3、4、5、6、7為測(cè)量點(diǎn)):
圖5-3測(cè)量電路
第一步:在3、4點(diǎn)間用電壓表測(cè)輸出電壓,在3、4點(diǎn)串入電流表在5、6點(diǎn)間用電壓表測(cè)輸出電壓,在5、7點(diǎn)串入電流表;
第二步:在1、2點(diǎn)源接入市電;
第三步:調(diào)整可調(diào)變壓器電阻,使電源滿載輸出;
第四步:調(diào)整穩(wěn)壓電源電壓,使電壓為12V,記錄輸入與輸出電壓;
第五步:逐步增大電源電壓,每隔一段做一次的記錄,直到輸出電壓的上限19V。
5.2.3 測(cè)試結(jié)果表5-1 輸出輸入電壓記錄表
U2(V) | 12.96 | 13.01 | 14.04 | 15.05 | 16.04 | 17.01 | 18.01 | 19.01 |
Uo(V) | 10.01 | 9.98 | 10.06 | 9.94 | 10.02 | 10.06 | 10.03 | 10.07 |
(測(cè)試條件為輸出電壓10V,輸出電流為1.00A)
電壓調(diào)整率推導(dǎo):
(5-1)
測(cè)量電路如圖5-3所示。
第一步:在3、4點(diǎn)間用電壓表測(cè)輸出電壓,在3、4點(diǎn)串入電流表在5、6點(diǎn)間用電壓表測(cè)輸出電壓,在5、7點(diǎn)串入電流表;
第二步:在1、2點(diǎn)間接上市電;
第三步:測(cè)試單片機(jī)輸出的PWM波形、mos管腳的驅(qū)動(dòng)波形。
第四步:輸入電壓為額定值10V,輸出電流取最小值,記錄最小負(fù)載量的輸出電壓;
第五步:調(diào)整負(fù)載為50%滿載,記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓;
第六步:調(diào)整負(fù)載為滿載,記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓;
測(cè)試數(shù)據(jù)記錄如表5-2。
表5-2 不同負(fù)載下輸出電壓記錄表
輸出電流(A) | 1.00 | 0.53 | 0.04 |
輸出電壓(V) | 9.995 | 10.001 | 9.959 |
負(fù)載調(diào)整率推導(dǎo):
把示波器的其中一個(gè)探針接到單片機(jī)的PWM輸出口,地接到另外一個(gè)端口,得到的測(cè)試波形如5-5、 把探針放在上下mos管腳G極的驅(qū)動(dòng)波形波形如圖5-6所示。
圖5-5 單片機(jī)輸出的PWM波形 圖5-6 上下mos管腳G極的驅(qū)動(dòng)波形
5.4 電路效率測(cè)試測(cè)量電路如圖5-3所示。
第一步:在3、4點(diǎn)間用電壓表測(cè)輸出電壓,在3、4點(diǎn)串入電流表在5、6點(diǎn)間用電壓表測(cè)輸出電壓,在5、7點(diǎn)串入電流表;
第二步:在1、2點(diǎn)間接入市電;
第三步:輸入電壓為額定值18V,
第四步:調(diào)整負(fù)載由大至小記錄對(duì)應(yīng)的輸出電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流;
第五步:返回第四步,直到輸出電流達(dá)到自保護(hù)的狀態(tài)。
5.4.3 測(cè)試結(jié)果表5-3供電效率測(cè)試數(shù)據(jù) | ||||
供電電壓/V | 供電電流/A | 總輸出電壓/V | 總輸出電流/A | 實(shí)際效率 |
12.2 | 1.01 | 10.02 | 1.00 | 0.81 |
12.2 | 0.95 | 9.01 | 1.03 | 0.80 |
12.2 | 0.85 | 8.05 | 1.02 | 0.79 |
12.2 | 0.78 | 7.07 | 1.04 | 0.77 |
12.2 | 0.67 | 6.02 | 1.02 | 0.75 |
12.2 | 0.56 | 4.98 | 1.01 | 0.74 |
12.2 | 0.48 | 3.97 | 1.00 | 0.68 |
12.2 | 0.38 | 3.00 | 1.04 | 0.67 |
12.2 | 0.25 | 2.01 | 1.02 | 0.66 |
12.2 | 0.13 | 1.02 | 1.00 | 0.63 |
12.2 | 0.01 | 0.04 | 1.01 | 0.64 |
由以上數(shù)據(jù)得到:滿載輸出情況下,供電效率為81%。
輸出噪聲紋波電壓峰-峰值的測(cè)試,把示波器的測(cè)試輸出電壓波形如圖5-6所示。
圖5-6 輸出電壓波形
由以上數(shù)據(jù)得到:該電源的電壓調(diào)整率為0.069%,負(fù)載調(diào)整率為3.164%,滿載輸出情況下,供電效率為81%,當(dāng)輸出電流大于2A時(shí),保護(hù)電路啟動(dòng)。輸出電壓為0。輸出紋波峰峰值為290Mv。實(shí)際電路的調(diào)試圖如圖5-7所示。
圖5-7實(shí)際電路的調(diào)試圖
經(jīng)過研究國(guó)內(nèi)外關(guān)于開關(guān)電源的方式,本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)發(fā)生47KHZ的PWM脈沖信號(hào),經(jīng)過IR2104控制MOS,從而控制整個(gè)BUCK(降壓式變換)電路。單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測(cè)電流實(shí)時(shí)反饋電流和電壓數(shù)值,并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比,形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵能設(shè)置輸出電流從0.2A到2A,以0.01A遞增,輸出最大10V,液晶能顯示實(shí)時(shí)輸出電流與電壓。根據(jù)測(cè)試,滿載的供電效率為88%。按鍵設(shè)置的輸出電流的誤差小于0.01A。
因此,本文所研究的基于單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)滿足了當(dāng)初的設(shè)計(jì)預(yù)想,達(dá)到了較好的效果。
6.2創(chuàng)新點(diǎn)論文主要的創(chuàng)新點(diǎn)有以下三點(diǎn):
1)使得開關(guān)電源硬件更加智能化,直接用單片機(jī)控制;
2)能顯示輸入和輸出的電流電壓狀況,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源的運(yùn)作;
3)能經(jīng)過按鍵數(shù)字化地設(shè)置預(yù)設(shè)輸出電壓,能得到精確的設(shè)定電壓。
6.3存在問題因?yàn)闀r(shí)間與能量有限,本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)另有待于進(jìn)一步的改進(jìn):
比如,
本論文的全部工作得到了指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷,同時(shí)也衷心感謝學(xué)校的所有老師在這四年來對(duì)我的學(xué)習(xí)、工作、生活上給予的無私幫助和無微不至的關(guān)懷。我的論文選題和論文寫作都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的,他崇高的師德和高深的學(xué)術(shù)造詣給我在我身上留下了深深的烙印,對(duì)我的學(xué)術(shù)訓(xùn)練和研究能量的培養(yǎng)會(huì)讓我受用終身。
在我大學(xué)生涯中,得到了專業(yè)課老師在電子技術(shù)上給予的悉心指導(dǎo),特此感謝。
在完成該課題的時(shí)刻,得到舍友們,同班同學(xué)們和學(xué)長(zhǎng)們的幫助,在此深表感謝。
感謝惠州學(xué)院的老師們同學(xué)們,在學(xué)習(xí)工作的時(shí),從他們身上我學(xué)習(xí)到了不少開發(fā)項(xiàng)目的方式和新的開發(fā)技術(shù)。
謝謝所有幫助和關(guān)心我的老師和同學(xué)。
單片機(jī)源程序如下:
雙向DC-DC.rar
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