2017-3-1 13:03 上傳
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下面是畢業論文的部分內容預覽：
1． 綜述
1.1 課題背景
1.1.1概述
開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM） 控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新，這一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展空間。
開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用，GTR驅動困難，開關頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。
開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。
數字電源是當前的熱點，已經開發出一系列數字電源控制芯片，此類控制芯片一般都具有較高的運算速度和采樣速度，以滿足開關電源控制的需要，相對于傳統開關電源需要較高的系統投入，并且采用有別于傳統開關電源的全新的設計方法。
本文提出的數控開關電源有別于數字電源，采用模數混合控制，可在傳統開關電源的基礎上，加入數字控制，不需要較高的成本投入和重新設計，就可以實現開關電源的數字控制與監視，有廣泛的應用前景。
1.1.2歷史
40多年來，開關電源經歷了三個重要發展階段。
第一個階段是功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統有可能實現高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。
第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的研究開發，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。
第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統和集成電力電子模塊(IPEM)技術開始發展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。
1.1.3現狀
隨著全球節能呼聲的高漲，開關電源已進入綠色電源及綠色電源控制芯片的時代。準諧振技術、flyback頻率折返技術、跨越周期式工作、進入猝發模式工作等新技術層出不窮，以降低空載功耗。對應高效率的要求，無論是AC/DC，還是DC/DC，同步整流技術都成為電源設計的必選技術。
在DC/DC中，點載模塊成為新亮點，具有更低的輸出電壓、更高的效率、更小的體積、更高的可靠性、更快的瞬態響應，為此還加入了熟悉控制技術。
目前，在電源系統的體積大小方面還有大量工作要做，對比四十年前六個大機柜組成的分離元器件及小規模IC的數字計算機，其功能還不如現在的筆記本電腦。相比之下，現在的電源體積在電子設備中占的比例還是太大，功率密度還遠遠不夠高。VICOR公司的VTM及PRM開辟了DC/DC的新篇章，使功率密度上升到了1000W/in3的水平。然而電源技術水平提高的空間仍然很大。
美國目前的數字電源發展速度很快，不僅對大的通信電源完成了設計和配套，而且磚塊式的DC/DC系統也已經數字化，TI（德州儀器）、 MICROCHIP（微芯國際）等都推出了相應的產品，Galexy公司的DC/DC都加入了MCU或CPU，連NoteBook的適配器也進入了全數字的控制芯片時代，而且包含了對PFC或PWM兩部分的控制，iw2202即是最先登場的一款。
1.1.4發展趨勢
開關電源的發展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致 力于同步開發新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn、Zn)材料上加大科技創新，以提高在高頻率和較大磁通密度 （Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源 的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行創新，實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源 的工作效率。對于高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠性大大提高。
模塊化是開關電源發展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統，可以設計成N＋1冗余電源系統，并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電 源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術的 實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，以使得該項技術得以實用化。
全數字化控制，電源的控制已經由模擬控制，模數混合控制，進入到全數字控制階段。全數字控制是發展趨勢，已經在許多功率變換設備中得到應用。
1.2 課題提出
學習完電力電子技術，對開關電源有一個初步的了解后，如果進行一個開關電源的開發，將是對自己的學習大有益處的。開關電源的設計與實現已經有一個較成熟的設計步驟和方法，如果在傳統開關電源中加入基于單片機的數字控制，不僅對于自己大學學習知識是良好的總結，并且具有良好的實用價值，是一項很有意義和價值的工作。
該數控開關系統應具有以下特點：
1、采用傳統的設計方法實現主回路的設計；
2、應具備傳統開關電源的框架結構、性能；
3、加入數字控制的思想，實現數字控制；
4、具備較友好的操作界面；
5、實現輸出電壓、電流的顯示和監視；
6、具備一定的通信能力，實現智能電源初步。
1.3 開發工具和開發環境
硬件部分原理圖的設計與仿真，采用multisim 10進行仿真，結合一般的開關電源進行設計，確定硬件部分電路參數的選擇。
軟件部分采用C語言進行編程，使軟件部分整體結構清晰、功能完整，采用Keil軟件進行匯編。
另外單片機采用STC系列，方便程序的下載與調試。
1.4系統的總體框架與結構
本系統可以分為兩大主要模塊，硬件部分和軟件部分，硬件部分主要是boost變換器的設計，控制芯片的選擇，儲能電感的選擇，濾波電路電容電路的設計與參數選擇；軟件部分主要是單片機數字控制顯示部分，實現開關電源輸出電壓控制，輸出電壓電流的采樣、數據處理，輸出電壓電流的顯示，單片機與上位機串行通信初步。
系統總體框架結構
2． 需求分析
2.1 系統開發目的
直流穩壓電源是一種常見的電子儀器，廣泛地應用于電子電路、教學實驗和科學研究等領域。目前使用的直流穩壓電源大部分是線性電源，利用分立元件組成，其體積大，效率低，可靠性性差，操作使用不方便，自我保護功能不夠，因而故障率高。隨著電子技術的飛速發展，各種電子、電器設備對穩壓電源的性能要求日益提高， 穩壓電源不斷朝著小型化，高效率，低成本，高可靠性，低電磁干擾，模塊化和智能化方向發展。以單片機系統為基礎而設計制造出來的新一代智能穩壓電源不但電路簡單，結構緊湊，價格低廉，性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數據進行各種計算， 從而可排除和減少由于干擾信號和模擬電路引起的誤差， 大大提高穩壓電源輸出電壓和控制電流精度。降低了對模擬電路的要求。智能穩壓電源可利用單片機設置周密的保護監測系統，確保電源運行可靠。輸出電壓和限定電流采用數字顯示，輸入采用鍵盤方式，電源的外表美觀，操作使用方便。具有較高的使用價值。
2.2 系統功能要求
本系統要實現的功能包括：具備一般電源輸出性能要求，輸出電壓的數字控制，輸出電壓電流的監測顯示，具備與上位機通信初步。
具體功能如下：
1、 輸出電壓Uo可調范圍：30V～36V；
2、 最大輸出電流IOmax：2A；
3、 輸出電壓數字控制；
4、 輸出電壓電流監測與顯示；
5、 能夠與上位機進行串行通信，實現上位機控制；
2.3 系統人機接口要求
利用單片機實現輸出電壓的數字控制，使輸出電壓在要求范圍內實現精確的控制；輸出電壓電流實時監測與顯示，達到輸出電壓的準確測量與監測；采用鍵盤操作，達到操作簡單方便，顯示清晰易懂的要求。
本系統擬采用4*4鍵盤掃描，其中設置0-9十個數字鍵， 6個功能鍵（啟動串行通信接受上位機控制按鍵，停用上位機控制按鍵，顯示電壓按鍵，顯示電流按鍵，清屏按鍵，輸入確定按鍵）用于設定電壓的輸入，方便用戶操作和控制，節省設計成本。
顯示部分采用4位LED動態顯示，程序部分采用多個顯示內容存儲區，方便顯示控制，程序中延時部分采用調用顯示子程序，這樣既達到了延時效果，又可以增加數碼管的亮度。采用鍵盤和LED顯示，達到了較好的人機交互效果，提升了系統的可操作性和性價比。
3． 系統總體設計
3.1 數控開關電源總體結構
數控開關電源系統的總體分為兩大組成部分，開關電源主回路部分和單片機數字控制部分，其中也包括兩大部分之間的接口設計。
開關電源主回路部分可以采用傳統開關電源的設計方法進行開關主回路的設計，盡量在不改變主回路的基礎上進行設計，添加數字控制部分，最終達到數控的目的，并且滿足設計的各項要求。
單片機數字控制部分主要是單片系統的硬件連接和單片機軟件程序的編寫。硬件部分主要包括單片機最小系統的實現，ADC0809和DA0832與單片機的接口，鍵盤顯示的接口，還有采樣電路的設計。軟件部分主要是鍵盤的掃描，LED動態顯示，采樣數據的濾波及處理，單片機與上位機的串行通信控制。
3.1.1系統總體方案的分析
根據設計要求和傳統開關電源的設計方法，設計開關電源的主回路。在主回路已經確定的情況下，進行單片機數字控制部分的加入，主要可以考慮兩種思路來實現：
第一種思路可以采用在開關電源反饋取樣信號部分采用精密的數控可調電位器（如X9313）來實現，這樣通過單片機就可以改變反饋電壓的強弱，達到控制輸出電壓的目的， 利用數控電位器來實現，原理框圖如下：
方案一 采用數控電位器實現
第二種思路可以采用單片機控制數模轉換DA（DA0832）輸出加到開關電源的集成控制芯片的反饋信號輸入端，直接對反饋電壓產生影響，達到控制目的。采用DA（數模轉換芯片）實現的原理框圖如下：
方案二 采用DA數模轉換芯片實現
3.1.2系統總體方案的確定
上述兩種方案均可實現設計的要求，在選擇確定總體方案方面就需要進行全面考慮。
方案一雖然可以實現設計要求但是數控電位器的精度及可調范圍方面，不如方案二采用數模轉換器（如果采用DA0832就可以實現256步進調節），在調節的精度和范圍方面具有優勢，而且在與單片機的接口和控制方面，方案二更具有優勢。綜合考慮各個方面的因素，本設計擬采用方案二來實現。
3.2 開關電源主回路
簡單地說，開關電源的工作原理是：
1.交流電源輸入經整流濾波成直流；
2.通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管，將那個直流加到開關變壓器初級上；
3.開關變壓器次級感應出高頻電壓,經整流濾波供給負載；
4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達到穩定輸出的目的。
主回路——開關電源中，功率電流流經的通路。主回路一般包含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負載端。
開關電源的主回路的設計采用傳統的設計方法，采用經典方法，不僅可以加速設計，而且使設計更加可靠。
3.2.1開關電源主回路常用拓撲分析
開關電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。
一、 非隔離式電路的類型：
非隔離式——輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。
1、串聯式結構
串聯——在主回路中開關器件（下圖中所示的開關三極管T）與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯連接的關系。開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，當開關管T關斷時，電感器L中的反向電動勢使續流二極管D自動導通，電感器L中儲存的能量通過續流二極管D形成的回路，對負載R繼續供電，從而保證了負載端獲得連續的電流。
串聯式結構，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，因此為降壓式變換。
2、并聯式結構
并聯——在主回路中，相對于輸入端而言，開關器件（下圖中所示的開關三極管T）與輸出端負載成并聯連接的關系。開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，負載R靠電容器存儲的電能供電；當開關管T關斷時，續流二極管D導通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加后，通過續流二極管D對負載R供電，并同時對電容器C充電。
由此可見，并聯式結構中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續的負載電流，并聯結構比串聯結果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。
3、極性反轉型變換器結構
極性反轉——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結構特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，電感器L與負載成并聯。
開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，工作過程與并聯式結構相似，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，負載RL靠電容器存儲的電能供電；當開關管T關斷時，續流二極管D導通，電感器L中的自感電動勢通過續流二極管D對負載RL供電，并同時對電容器C充電；由于續流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。
二、隔離式電路的類型：
隔離——輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。
1、 單端正激式
單端——通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器；
正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保在開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊同時對負載供電。
該電路的最大問題是：開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管關斷時，脈沖變壓器處于“空載”狀態，其中儲存的磁能將被積累到下一個周期，直至電感器飽和，使開關器件燒毀。圖中的D3與N3構成的磁通復位電路，提供了泄放多余磁能的渠道。
2、 單端反激式
反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保當開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關器件，需要設置電壓鉗位電路予以保護D3、N3構成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。
3、 推挽（變壓器中心抽頭）式
這種電路結構的特點是：對稱性結構，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。
主要優點：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅動電路簡單。
主要缺點：變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。
4、 全橋式
這種電路結構的特點是：由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。
圖中T1、T4為一對，由同一組信號驅動，同時導通/關端；T2、T3為另一對，由另一組信號驅動，同時導通/關端。兩對開關管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈沖電流。
主要優點：與推挽結構相比，原邊繞組減少了一半，開關管耐壓降低一半。
主要缺點：使用的開關管數量多，且要求參數一致性好，驅動電路復雜，實現同步比較困難。這種電路結構通常使用在1KW以上超大功率開關電源電路中。
5、 半橋式
電路的結構類似于全橋式，只是把其中的兩只開關管（T3、T4）換成了兩只等值大電容C1、C2。
主要優點：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格；適應的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅動電路中。
3.2.2開關電源主回路拓撲確定
考慮到實驗條件及設計要求，本系統擬采用非隔離式并聯升壓電路，采用典型的BOOST電路，電路拓撲如上所述：
3.3 單片機硬件部分電路
從簡化系統設計的方面考慮，單片機部分的電路如下圖所示：
單片機數控部分的總體電路圖
3.4 單片機軟件部分的設計
單片機軟件部分的編寫是實現設計的重要組成部分，此部分的要求主要是實現數字控制的程序編寫，人機接口部分程序的編寫，串行通信的編程實現等。單片機軟件部分的編程主要包括鍵盤掃描，LED顯示，AD采樣控制，DA輸出控制，上位機控制，采樣數據處理等函數編寫。
考慮到上述因素，還有程序的結構清晰明了等要求，軟件部分具體需要編寫下列函數：
void keydelay(uint);//消除鍵盤抖動用延時函數
void delay(uint);//一般延時用函數，通過入口參數改變延時長短
uchar kbscan(void);//鍵盤掃描函數
void display(void);//LED顯示函數
void dispsel(void);//顯示內容選擇函數
void keyprocess(void);//鍵盤處理函數
void manage_key(void);//一般鍵盤處理函數
void manage_number(void);//數字鍵處理函數
void manage_key10(void);//10號功能鍵處理函數
void manage_key11(void);// 11號功能鍵處理函數
void manage_key12(void);// 12號功能鍵處理函數
void manage_key13(void);// 13號功能鍵處理函數
void manage_key14(void);// 14號功能鍵處理函數
void manage_key15(void);// 15號功能鍵處理函數
void control(void);//DA0832輸出控制函數
void adc0809(void);//ADC0809芯片控制函數
void dac0832(void);//DA0832輸出
void caculate(void);//采樣數據處理計算函數
void send(void);//串口發送函數
void receive(void) interrupt 4 using 1//串口接收數據處理函數
4 系統詳細設計
4.1 開關電源主回路設計
如前所述開關電源主回路采用非隔離式并聯電路，即采用典型的BOOST電路。下面就BOOST電路各個電路參數進行設計。
4.1.1主回路控制芯片選擇
在實際應用中經常會涉及到升壓電路的設計，對于較大的功率輸出，如70W以上的DC／DC升壓電路，由于專用升壓芯片內部開關管的限制，難于做到大功率升 壓變換，而且芯片的價格昂貴，在實際應用時受到很大限制。考慮到Boost升壓結構外接開關管選擇余地很大，選擇合適的控制芯片，便可設計出大功率輸出的 DC／DC升壓電路。
開關電源控制芯片UC3842是一種電流型脈寬調制電源芯片，價格低廉，廣泛應用于電子信息設備的電源電路設計，常用作隔離回掃式開關電源的控制電路，根據UC3842的 功能特點，結合Boost拓撲結構，完全可設計成電流型控制的升壓DC／DC電路，且外接元器件少，控制靈活，成本低，輸出功率容易做到100W以上，具有其他專用芯片難以實現的功能。
UC3842芯片的特點 UC3842工作電壓為16-30V，工作電流約15mA。芯片內有一個頻率可設置的振蕩器；一個能夠源出和吸入大電流的圖騰式輸出結構，特別適用于 MOSFET的驅動；一個固定溫度補償的基準電壓和高增益誤差放大器、電流傳感器；具有鎖存功能的邏輯電路和能提供逐個脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達100％。另外，具有內部保護功能，如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區時間等。
由UC3842設計的DC／DC升壓電路屬于電流型控制，電路中直接用誤差信號控制電感峰值電流，然后間接地控制PWM脈沖寬度。這種電流型控制電路的主要特點是： 1)輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化，電感電流自動調整而不需要誤差放大器輸出變化，改善了瞬態電壓調整率； 2)電流型控制檢測電感電流和開關電流，并在逐個脈沖的基礎上同誤差放大器的輸出比較，控制PWM脈寬，由于電感電流隨誤差信號的變化而變化，從而更容易 設置控制環路，改善了線性調整率； 3)簡化了限流電路，在保證電源工作可靠性的同時，電流限制使電感和開關管更有效地工作； 4)電流型控制電路中需要對電感電流的斜坡進行補償，因為，平均電感電流大小是決定輸出大小的因素，在占空比不同的情況下，峰值電感電流的變化不能與平均電感電流變化相對應，特別是占空比，50％的不穩定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差，即使占空比<50％，也可能發生高頻次諧波振蕩， 因而需要斜坡補償，使峰值電感電流與平均電感電流變化相一致，但是，同步不失真的斜坡補償技術實現上有一定的難度。
Unitrode公司的UC3842作為一種高性能固定頻率電流型控制器，包含誤差放大器、PWM比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內部基準電源和欠壓鎖定等單元，其結構圖如下所示：
各管腳功能簡介如下。
---1腳COMP是內部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網絡，以確定誤差放大器的增益和頻響。
---2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端，此腳與內部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較，產生控制電壓，控制脈沖的寬度。
---3 腳ISENSE是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開關管(如VMos管)的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓，此電壓送入3 腳，控制脈寬。此外，當電源電壓異常時，功率開關管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護了功率開關管。
---4腳RT/CT是定時端。鋸齒波振蕩器外接定時電容C和定時電阻R的公共端。
---5腳GND是接地。
---6腳OUT是輸出端，此腳為圖騰柱式輸出，驅動能力是±lA。這種圖騰柱結構對被驅動的功率管的關斷有利，因為當三極管VTl截止時，VT2導通，為功率管關斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關斷。
---7腳Vcc是電源。當供電電壓低于 ＋16V時，UC3824不工作，此時耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過一個大阻值電阻從高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在+10～+30V之間波動，低于+10V停止工作。工作時耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。
---8腳VREF是基準電壓輸出，可輸出精確的+5V基準電壓，電流可達50mA。
---UV3842的電壓調整率可達0.01%，工作頻率為500kHz，啟動電流小于1mA，輸入電壓為10～30V，基準電壓為4.9～5.1V，工作溫度為0～70℃，輸出電流為1A。
4.1.2 boost電路主要參數選擇
一 Boost電路結構及特性分析
由UC3842控制的Boost拓撲結構及電路分別下圖所：
UC3842控制的Boost拓撲結構
UC3842控制的Boost電路結構
UC3842控制的Boost電路中輸入電壓Vi=16-20V，既供給芯片，又供給升壓變換。開關管以UC3842設定的頻率周期開閉，使電感L儲存能量并釋放能量。當開關管導通 時，電感以V1／L的速度充電，把能量儲存在L中。當開關截止時，L產生反向感應電壓，通過二極管D把儲存的電能以(Vo-Vi)／L的速度釋放到輸出電 容器C2中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少，通過電感電流的峰值來控制。 整個穩壓過程由二個閉環來控制，即 閉環1 輸出電壓通過取樣后反饋給誤差放大器，用于同放大器內部的2.5V基準電壓比較后產生誤差電壓，誤差放大器控制由于負載變化造成的輸出電壓的變化。 閉環2 Rs為開關管源極到公共端間的電流檢測電阻，開關管導通期間流經電感L的電流在Rs上產生的電壓送至PWM比較器同相輸入端，與誤差電壓進行比較后控制調 制脈沖的脈寬，從而保持穩定的輸出電壓。誤差信號實際控制著峰值電感電流。
二 Boost升壓結構特性分析
Boost升壓電路，可以工作在電流斷續工作模式(DCM)和電流連續工作模式(CCM)。CCM工作模式適合大功率輸出電路，考慮到負載達到10％以上時，電感電流需保持連續狀態，因此，按CCM工作模式來進行特性分析。 Boost拓撲結構升壓電路基本波形如圖3所示。
Boost升壓電路基本波形
ton時，開關管S為導通狀態，二極管D處于截止狀態，流經電感L和開關管的電流逐漸增大，電感L兩端的電壓為Vi，考慮到開關管S漏極對公共端的導通壓降Vs，即為Vi-Vs。ton時通過L的電流增加部分△ILon滿足式(1)。
（1） 式中：Vs為開關管導通時的壓降和電流取樣電阻Rs上的壓降之和，約0.6-0.9V。
toff時，開關管S截止，二極管D處于導通狀態，儲存在電感L中的能量提供給輸出，流經電感L和二極管D的電流處于減少狀態，設二極管D的正向電壓為Vf，toff時，電感L兩端的電壓為Vo+Vf-Vi，電流的減少部分△ILoff滿足式(2)。
（2） 式中：Vf為整流二極管正向壓降，快恢復二極管約0.8V，肖特基二極管約0.5V。 在電路穩定狀態下，即從電流連續后到最大輸出時，△ILon=△ILoFf，由式(1)和(2)可得
（3） 因占空比D=
/T，即最大占空比
（4） 如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即
（5） 由式(4)和式(5)得電感器平均電流
（6） 同時由式(1)得電感器電流紋波
（7） 式中：f為開關頻率。 為保證電流連續，電感電流應滿足
（8） 考慮到式(6)、式(7)和式(8)，可得到滿足電流連續情況下的電感值為
（9） 另外，由Boost升壓電路結構可知，開關管電流峰值Is(max)=二極管電流峰值Id(max)=電感器電流峰值ILP，
（10） 開關管耐壓
（11） 二極管反向耐壓
（12） 三 電路參數的確定
基于UC3842控制的升壓式DC／DC變換器，電路的技術指標為：輸出電壓UO可調范圍：30V～36V；
最大輸出電流Iomax：2A；
U2從15V變到21V時，電壓調整率SU≤2%（Io=2A）；
IO從0變到2A時，負載調整率SI≤5%（U2=18V）；
輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）；
DC-DC變換器的效率
≥70%（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）； 具有過流保護功能，動作電流Io（th）=2.5±0.2A；
考慮到輸出電壓可調，并考慮一定的裕量，系統的設計時可按如下指標設計輸入Vi=18V，輸出Vo=40V、Io=2A，頻率f≈49 kHz，輸出紋波噪聲1％。 根據技術指標要求，結合Boost電路結構的定性分析，設計電路的參數如下：
1 儲能電感L 根據輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4)得
當輸出最大負載時至少應滿足電路工作在CCM模式下，即必須滿足式(9)，
同時考慮在10％額定負載以上電流連續的情況，實際設計時可以假設電路在額定輸出時，電感紋波電流為平均電流的20％"30％，因增加△IL可以減小電感L，但為不增加輸出紋波電壓而須增大輸出電容C2，取30％為平衡點，即
（13） 由式（7）、式（13）可得
流過電感L的峰值電流由式（10）得
L可選用電感量為140"200μH且通過5A以上電流不會飽和的電感器。電感的設計包括磁芯材料、尺寸、型號選擇及繞組匝數計算、線徑選用等。電路工作 時重要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對電感性能和溫升影響很大，材質好的磁芯如環形鐵粉磁芯，承受峰值電流能力較強，EMI低。而選用線 徑大的導線繞制電感，能有效降低電感的溫升。
2 輸出電壓取樣電阻R1、R2 因UC3842的腳2為誤差放大器反向輸入端，芯片內正向輸入端為基準2.5v，可知輸出電壓Vo=2.5(1+R1／R2)，根據輸出電壓可確定取樣電 阻R1、R2的取值。 由于儲能電感的作用，在開關管開啟和關閉時會形成大的尖峰電流，在檢測電阻Rs上產生一個尖峰脈沖，為防止造成UC3842的誤動作，在Rs取樣點到 UC3842的腳3間加入R、C濾波電路，R、C時間常數約等于電流尖峰的持續時間。
3 開關管S 開關管的電流峰值由式(10)得 Iv(max)=ILP=5.11A 開關管的耐壓由式(11)得 Vds(off)=Vo+Vf=40+0.8=40.8V 按20％的余量，可選用6A／50V以上的開關管。為使溫升較低，應選用Rds較小的MOS開關管，要考慮的是通態電阻Rds會隨PN結溫度T1的升高而增大。
4 輸出二極管D和輸出電容器C2 升壓電路中輸出二極管D必須承受和輸出電壓值相等的反向電壓，并傳導負載所需的最大電流。二極管的峰值電流Id(max)=ILP=5.11A，本電路可選用6A／50V以上的快恢復二極管，若采用正向壓降低的肖特基二極管，整個電路的效率將得到提高。 輸出電容C2的選定取決于對輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯電阻ESR有關，電容器的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。 電容的ESR<△Vo/△IL=40x1％/1.33=O.3Ω。 另外，為滿足輸出紋波電壓相對值的要求，濾波電容量應滿足
（14） 根據計算出的ESR值和容量值選擇電容器，由于低溫時ESR值增大，故應按低溫下的ESR來選擇電容，因此，選用560μF／50V以上頻率特性好的電解電容可滿足要求。
5 外補償網絡 UC3842誤差放大器的輸出端腳l與反相輸入端腳2之間外接補償網絡Rf、Cf。 Rf、Cf的取值取決于UC3842環路電壓增益、額定輸出電流和輸出電容，通過改變Rf、Cf的值可改變放大器閉環增益和頻響。為使環路得到最佳補償， 可測試環路的穩定度，測量Io脈動時輸出電壓Vo的瞬態響應來加以判斷。
6 斜坡補償 在實用電路中，增加斜坡補償網絡，一般有二種方法，一是從斜坡端腳4接補償網絡Rx、Cx至誤差放大器反相輸入端腳2，使誤差放大器輸出為斜坡狀，再與 Rs上感應的電壓比較。二是從斜坡端腳4接補償網絡Rx、Cx到電流感應端腳3，將在Rs的感應電壓上增加斜坡的斜率，再與平滑的誤差電壓進行比較，作用 是防止諧波振蕩現象，避免UC3842工作不穩定，同時改善電流型控制開關電壓的噪聲特性。本設計采用方法二。
7 保護電路 當UC3842的腳3電壓升高超過1V或腳1電壓降到1V以下，都可使PWM比較器輸出高電平，造成PWM鎖存器復位。根據UC3842關閉特性，可以很 容易在電路中設置過壓保護和過流保護。本電路中Rs上感應出的峰值電流形成逐個脈沖限流電路，當腳3達到1V時就會出現限流現象，所以，整個電路中的電感 磁性元件和功率開關管不必設計較大的余量，就能保證穩壓電路工作可靠，降低成本。
4.2 單片機控制硬件電路部分參數選擇
單片機控制部分硬件，主要是電壓電流的采樣，及單片機的接口。
4.2.1電壓采樣
考慮到設計的時間及設計要求，輸出電壓取樣電路采用簡單的電阻分壓取樣，具體電路實現如下：
4.2.2電流采樣
電流取樣采用分流器，由于采用的分流器電阻很小3.75毫歐，因此必須采用精密的差分放大器進行放大，采用的電路如下：
4.2.3 2.5V基準源采樣
考慮到輔助電源電壓波動對AD0809的影響，選取2.5V的基準源，對采樣的數據進行修正。2.5V基準電壓的實現采用TL431來實現，其中電阻R=4.7k電路如下：
4.2.4反饋部分參數確定
Vo電壓為輸出電阻取樣后電壓，Vc為DA0809輸出的控制電壓，電路圖如下：
V2=VO*（R2//R3）/(R1+R2//R3)+Vc*（R1//R2）/(R3+R1//R2)=2.5
可以選取R3=50K左右，可以實現設計要求。
4.3 單片機部分軟件的具體編程與實現
單片機部分是本次設計設計的核心，是實現數字控制的關鍵部分，單片機各個部分功能的實現的具體編程如下：
4.3.1鍵盤顯示部分
本設計采用4*4鍵盤和四位LED顯示，達到較好的人際交互，并能盡量節省成本，達到了較好的目的。
具體程序如下：
鍵盤掃描子程序：
- //---------------------------------------------------------------------------------------
- // 函數名稱： kbscan 鍵盤掃描子程序
- // 函數功能： 判斷是否有鍵按下，有返回鍵值，沒有返回0
- // p2的高四位為列，低四位為行
- P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
- //
- 列4 列3 列2 列1 行4 行3 行2 行1
- // 過程：先根據列判斷是否有鍵按下，沒有返回0，有，則逐行掃描以確定按鍵所在的行，再確定按鍵所在列
- // 從而最終確定該按鍵。
- //---------------------------------------------------------------------------------------
- uchar kbscan(void)
- {
- uchar sccode,recode;
- P2=0xf0; //置所有行為低電平，行掃描，列線輸入(此時)
- if((P2&0xf0)!=0xf0) //判斷是否有有鍵按下（讀取列的真實狀態，若第
- //4列有鍵按下則P1的值會變成0111 0000），有往下執行
- {
- keydelay(200); //延時去抖動（10ms）
- if((P2&0xf0)!=0xf0) //再次判斷列中是否是干擾信號，
- //不是則向下執行
- {
- sccode=0xFE; //逐行掃描初值（即先掃描第1行）
- while((sccode&0x10)!=0) //行掃描完成時（即4行已經全部掃
- //描完成）
- //sccode為1110 1111 停止while程序
- {
- P2=sccode; //輸出行掃描碼
- if ((P2&0xf0)!=0xf0) //本行有鍵按下（即P2（真實的狀
- //態）的高四位不全為1）
- {
- recode=(P2&0xf0)|0x0f; //列
- return(sccode&recode); //返回行和列
- }
- else //所掃描的行沒有鍵按下，則掃描下一行，
- //直到4行都掃描，
- //此時sccode值為1110 1111 退出while程序
- {
- sccode=(sccode<<1)|0x01;//行掃描碼左移一位
- }
- }
- }
- }
- else
- {
- return 0; //無鍵按下，返回0
- }
- }
-
- 顯示子程序：
- void display(void)//顯示程序，因p0口復用，故先送字位后送字形
- {uchar i,j;
- j=0x01;
- for(i=0;i<=3;i++)//四個數碼管顯示用循環
- {
- P0=0x00; //P0口送數據顯示前清一下p0口
- P0=leddisp[i]; //送字形碼
- leddata=1;
- leddata=0;
- P0=j; //送字位碼
- ledselect=1;
- j=(j<<1);
- ledselect=0;
- delay(3);
- P0=0x00; //字位口送0x00，去除花屏
- ledselect=1;
- ledselect=0;
- }
- }
4.3.2串行通信部分
串行通信部分初步實現了上位機與單片機之間的通信，其中單片機與上位機串行通信部分的程序如下：
單片機串行通信設置如下：
TMOD =0x20;//定時器1工作于方式二自動裝入8位定時器
PCON =0X80;//串行口波特率加倍
TH1=0xf3;//6MHZ波特率2.4K
TL1=0xf3;//
TR1=1;//啟動定時器1
SCON=0x50;//串行口方式110位異步收入，允許串行口接收
EA = 0;//開機時不接受上位機控制
ES = 1;//串行口開中斷
串行口發送子程序：
void send(void)
{ if(EA==1)
{
SBUF=0x0f;//傳送電壓量前握手信號0x0f，0xf0
while(TI==0)
;
TI=0;//清除發送結束中斷標志位
SBUF=0xf0;
while(TI==0)
;
TI=0;
SBUF=tserial1;
while(TI==0)
;
TI=0;
SBUF=0xf0;//傳送電流量前握手信號0xf0，0x0f
while(TI==0)
;
TI=0;
SBUF=0x0f;
while(TI==0)
;
TI=0;
SBUF=tserial2;
while(TI==0)
;
TI=0;
}
}
串口接收中斷服務子程序：
void receive(void) interrupt 4 using 1
{
if(RI)
{
rserial=SBUF;
RI=0;
}
}
4.3.3單片機采樣數據的處理
對采樣數據進行均值濾波，達到較準確的顯示，同時可以消除直接顯示帶來的屏閃，顯示效果也較佳。
程序如下：
void caculate(void)
{
uchar i;
uint tvolt=0,tcurr=0,tstdv=0,tv=0,tc=0;
for(i=0;i<=7;i++)//均值濾波程序
{tvolt=tvolt+advo;
tcurr=tcurr+adcu;
tstdv=tstdv+std;}
stdv=tstdv/8;
tv=tvolt/8*stdv/128;
tserial1=tv;//發送到上位機電壓數據
volt[2]=tv/51; //顯示位數據計算
volt[1]=tv*10/51%10+16;
volt[0]=tv*100/51%10;
tc=tcurr/8*stdv/128;//加入修正系數。。。。。。。。。。。。。。。
tserial2=tcurr/8*stdv/128;//發送到上位機電壓數據
curr[2]=tc/51;
curr[1]=tc*10/51%10+16;
curr[0]=tc*100/51%10;
}
4.4 系統集成
4.4.1硬件部分連接圖
開關電源主電路連接圖如下：
單片機控制部分電路圖如下：
4.4.2軟件部分集成
軟件部分的集成主要是考慮主函數的編寫，主函數內實現系統的初始化及各個子函數的調用和邏輯組合，以達到設計目的：
void main(void)
{uchar n;
for(n=0;n<=3;n++) //數據區初始化
{
leddisp[n]=0;
keypress[n]=0;
}
for(n=0;n<=7;n++)
{
advo[n]=0;
adcu[n]=0;
std[n]=128;
}
stdv=0;
advolt=0x00;
adcurr=0x00;
davolt=0x00;
tserial1=0x00;
tserial2=0x00;
rserial=0x00;
key=0;
flag=2;//開機首先顯示輸出電壓值
TMOD =0x20;//定時器1工作于方式二自動裝入8位定時器
PCON =0X80;//串行口波特率加倍
TH1=0xf3;//6MHZ波特率2.4K
TL1=0xf3;//
TR1=1;//啟動定時器1
SCON=0x50;//串行口方式110位異步收入，允許串行口接收
EA = 0;//開機時不接受上位機控制
ES = 1;//串行口開中斷
while(1)
{
dac0832();//DA數據送出
key=kbscan();//鍵盤掃描
keyprocess();//鍵盤處理程序
dispsel();//顯示電壓電流選擇
display();//LED顯示
control();//DA輸出控制電壓計算
adc0809();//AD輸入電壓電流采樣
caculate();
send();//串行口數據發送
}
}
5 測試
5.1 各功能部分測試
測試時根據各個部分功能的劃分，對各個功能部分進行單獨測試，可以達到事半功倍的效果。具體的測試分為以下各個部分：
一 開關電源主電路的測試
測試中遇到的錯誤主要有以下幾個方面：
電路虛焊導致的錯誤，解決方法是對電路測試，檢查電路焊接情況，進行仔細查找，然后更正錯誤；
電阻選擇不當導致的錯誤，解決方法是采用可變電阻進行調試，然后根據調節好的可變電阻值進行安裝；
二 單片機控制接口電路的測試
1 單片機最小系統的測試
主要檢查單片機復位電路，晶振工作情況，可以采用P1口亮燈試驗來檢查單片機最小系統的工作情況。
2 ADC0809的調試
在確保單片機正常工作的情況下，主要檢查ADC0809的接線是否正確，時鐘信號選擇是否合適，然后測試AD在單通道的情況下的工作情況。
3 DAC0809的調試
在確保接線正確的情況下，采用直通的工作方式時，主要是考慮輸出的運算放大器的工作情況。
4 鍵盤和數碼管的調試
鍵盤的調試，主要是調節去抖動延時的長短，使去抖動效果達到最佳，并且符合一般人的按鍵的接觸時間。
顯示部分數碼管的調試，主要是通過合理安排程序使數碼管顯示亮度適宜。在調試中曾出現花屏的情況，原因在于送字位口數據時，字形口數據仍然是上次的數據，解決方法是在送字位口數據之前，先將字形口數據全部清零。
5.2 系統測試
在各個功能部分正常工作的條件下，整個系統的調試主要是系統總體的控制邏輯，消除各個功能部分之間可能存在的相互影響，在系統組裝完成后，進行細致調試，修改這個系統中隱藏的問題。
5.3 測試結論
通過測試和不斷的調試，最終使系統達到了設計的目的和要求，較好的實現了最初的設想，但是系統在單片機通信部分仍有提高的余地，可以進一步完善。
結束語
緊張而充實的畢業設計即將結束了。回顧這十個周的工作，感慨頗多。畢業設計是對我們每名學生智力、毅力的一次艱巨考驗，是對我們每名學生知識體系的一次豐富升華，是對我們每名學生整個大學的學習成果的一次檢驗。
在畢業設計過程中，既有成功的喜悅，也有失敗的苦惱；既學習了大量新知識，又對很多舊知識進行了提煉升華；既有個人努力，又有團隊協作；既得到了同學們的幫助，又得到了老師的指導。這種經歷彌足珍貴。
在本次畢業設計過程中，我主要完成了單片機數字控制開關電源部分的設計與實現，加深了開關電源的深層次理解，熟練了單片機的C語言編程。設計過程中，我閱讀了大量開關電源和單片方面的數據，查找了大量相關資料，無論在認識層次還是在編程技巧上又有了很大提高。
因時間關系，本次畢業設計還有很多不足之處。主要是單片機與PC通信部份上位機的程序沒有能夠編寫完善，開關電源與單片機信息處理電路之間由于時間倉促也沒有加入保護。希望以后能夠加以完善。
