./密級(jí)：NANCHANGUNIVERSITYGONGQINGCOLLEGE學(xué)士學(xué)位論文〔設(shè)計(jì)THESISOFBACHELOR〔2011—2015年中文題目:20V輸出DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作英文題目：20voutputDC-DCswitchingpowersupplydesignandproduction學(xué)院：大學(xué)共青學(xué)院系別：電子信息工程系專業(yè)班級(jí)：11級(jí)電子信息工程本科1班學(xué)生：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：二○一五年六月學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人簽名：日期：..摘要近些年來,快速發(fā)展起來的開關(guān)電源技術(shù),其中DC-DC開關(guān)電源已經(jīng)在廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、通訊以及便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。因?yàn)楦咝Ч?jié)能的DC-DC開關(guān)電源所能帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益,從而發(fā)展推廣的特別的迅速。而這些年電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,讓開關(guān)電源技術(shù)也在不斷的發(fā)展。

本次論文是設(shè)計(jì)一款降壓型DC-DC開關(guān)電源電路。首先本文詳細(xì)的闡述了開關(guān)電源的原理和各種轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)果,其中著重解釋了DC-DC降壓的原理。然后根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)電路的整體框圖。對(duì)電路的各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析,包括整流濾波電路,BUCK降壓電路,采樣電路,驅(qū)動(dòng)電路,顯示電路。其中輸入電壓是24V,輸出電壓圍在0V-20V之間。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；降壓型；DC-DC轉(zhuǎn)換；BUCK電路；..AbstractInrecentyears,therapiddevelopmentofthetechnologyofswitchingpowersupply,theDC-DCswitchingpowersupplyhavebeenwidelyusedincomputer,communicationsandportableelectronicproductsetc..BecauseofhighefficiencyandenergysavingDC-DCswitchingpowersupplybringsenormouseconomicbenefits,sogetrapidpromotion.Theelectricpowerelectronictechnologydevelopment,sothattheswitchingpowersupplytechnologyisalsoinconstantdevelopment.OfthisthesisistodesignaDC-DCbuckswitchingpowersupplycircuit.Firstly,thispaperdiscussestheprincipleandtopologyofswitchingpowerconverter,whichfocusesontheinterpretationoftheprincipleoftheDC-DCbuck.Thenaccordingtotheoverallperformancerequirementsofthedesignofthecircuitdiagram.Thedesignandanalysisofeachpartofthecircuit,includingtherectifierfiltercircuit,BUCKcircuit,samplingcircuit,drivecircuit,displaycircuit.Theinputvoltageis24V,outputvoltageisintherangeof0V-20V.Keywords:switchingpowersupply;buckDC-DCconverter;BUCKcircuit;..目錄20499摘要IAbstract20855II17660第一章引言140201.1背景與意義1292791.2國(guó)外開關(guān)電源研究現(xiàn)狀185521.2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀 2168011.2.2國(guó)的研究現(xiàn)狀 29547第二章開關(guān)電源的基本原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)395472.1開關(guān)電源的工作原理 395472.2開關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)385522.2.1Boost變換器 385522.2.2Buck變換器 485522.2.3Buck-Boost變換器 485522.2.4Cuk變換器 585522.3降壓型DC/DC開關(guān)電源工作原理 5第三章設(shè)計(jì)方案和硬件選型895473.1設(shè)計(jì)要求895473.2整體設(shè)計(jì)方案895473.3LM358 885523.3.1LM358簡(jiǎn)介 9292793.3.2LM258的引腳圖985523.3.3LM358的部原理圖 1023943.4IR21031085523.4.1IR2103簡(jiǎn)介 1085523.4.2IR2103功能框圖 1185523.4.3IR2103引腳圖 1185523.5STC12C5A60S2單片機(jī)介紹 1185523.5.1STC12C5A60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介 1185523.5.2STC12C5A60S2單片機(jī)部結(jié)構(gòu) 1385523.5.3STC12C5A60S2單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器 148552第四章系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)1695474.1整流濾波電路1695474.2BUCK主原理電路1695474.2.1開關(guān)管及續(xù)流二極管的選擇1695474.2.2電感設(shè)計(jì)1795474.2.3濾波電容參數(shù)計(jì)算1795474.3采樣電路1895474.3.1電壓采樣1895474.3.2電流采樣1895474.4驅(qū)動(dòng)電路1895474.5顯示電路2021779第五章系統(tǒng)仿真及調(diào)試22242855.1軟件仿真調(diào)試22242855.2實(shí)物調(diào)試2324285總結(jié)2524285參考文獻(xiàn)2611259致 2724509附錄A設(shè)計(jì)總電路圖2824285附錄B源程序2924285附錄C實(shí)物圖42.前言1.1背景和意義作為信息化的時(shí)代的21世紀(jì),快速發(fā)展的信息化使得人們對(duì)于電子產(chǎn)品、設(shè)備的依賴性越來越強(qiáng)。而電源就是電子產(chǎn)品的心臟,開關(guān)電源的重量比線性電源更輕,體積比線性電源更小,而效率比于線性電源更高。這些年來,開關(guān)電源的發(fā)展力求越來越小,越來越輕,和高頻率的趨勢(shì)。所以也就要求儲(chǔ)能元件變得更小,為了讓一些儲(chǔ)能元件能減小一些,只能一定程度的提高開關(guān)電源的頻率。而今高頻開關(guān)電源正變得更小,更輕,效率更高,更可靠。所以,開關(guān)電源的未來是向著高頻的方向發(fā)展的。一切電子設(shè)備最重要的部分就是電源,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到電子設(shè)備的優(yōu)劣性。對(duì)于開關(guān)電源,更需要重點(diǎn)關(guān)注這個(gè)問題?，F(xiàn)在隨著人們對(duì)于電子設(shè)備的便攜式要求越來越高,而電子設(shè)備的核心,電池供電系統(tǒng)自然要求也更高,趨向于更小,更輕,效率更高,更可靠,DC-DC穩(wěn)壓開關(guān)電源就成為了首選。模塊化,集成化,這兩個(gè)關(guān)鍵詞是目前電力,電子和電路的發(fā)展的主要方向。各種各樣的芯片,多樣的控制功能,也是不斷的朝著模塊化,集成化方向發(fā)展,從而使得電源產(chǎn)品也越來越小、可靠性也越來越高。近些年,有著高效節(jié)能電源之稱的開關(guān)電源,代表穩(wěn)壓電源這些年主要的發(fā)展方向。從90年代初到現(xiàn)在,開關(guān)電源不斷的沿著以下的兩個(gè)方面發(fā)展和創(chuàng)新。一、中型功率的開關(guān)電源和小功率的開關(guān)電源向著單片集成化發(fā)展。二、控制電路集成化。開關(guān)電源DC-DC變換器,目前在國(guó)際上它已成為開發(fā)中型功率開關(guān)電源模塊和小功率開關(guān)電源模塊的第一選擇。開關(guān)電源DC-DC變換器為了保持穩(wěn)定的直流輸出電壓,所以人們研究的重點(diǎn)就成了各種PWM控制結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)開發(fā)開發(fā)電源,可以說是大勢(shì)所趨,從各個(gè)方面來說,都有其巨大的價(jià)值。1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀1955年的美國(guó)科學(xué)家洛耶〔G.H.Royer最早開發(fā)出使用飽和磁芯的自激晶體管的dc

/dc轉(zhuǎn)換器。從那以后,各種各樣的形狀的晶體管的DC/DC轉(zhuǎn)換器這個(gè)技術(shù)不斷發(fā)展。從而壽命比晶體管DC/DC轉(zhuǎn)換器更短,可靠性也比其更差,轉(zhuǎn)換效率比其更低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子式的換流設(shè)備被慢慢的淘汰。由于功率晶體管的dc

/

dc轉(zhuǎn)換器的開關(guān)狀態(tài),所以電源輸出集團(tuán)數(shù)量可變極、高效、小型、輕量,因此廣泛使用于電腦通信,航空宇宙,電子和其他領(lǐng)域。60年代的終點(diǎn),微電子學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了高電壓晶體管。這個(gè)轉(zhuǎn)換器是直接輸入整流,過濾,已不需要工頻變壓器。這樣大幅度擴(kuò)大的適用圍,并且無工頻降壓變壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電源在這個(gè)基礎(chǔ)上誕生了。音量和開關(guān)電源的量大幅度減少。開關(guān)電源真的做到高效率,小型輕量。70年代后,高頻,高反壓的相關(guān)技術(shù)中,高頻電力晶體管,開關(guān)二極管,高頻電容,變壓器核心組件總開關(guān)也不斷的開發(fā)生產(chǎn)出來,所以開關(guān)電源的迅速的發(fā)展,被廣泛用于電腦通信、航空航天領(lǐng)域,開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種各樣的電源中領(lǐng)導(dǎo)者。1.2.2國(guó)的研究現(xiàn)狀開關(guān)電源屬于電力電子技術(shù)。直流/直流轉(zhuǎn)換器晶體管穩(wěn)壓電源開關(guān)在我國(guó)的發(fā)展從60年代初到60年代中期開始進(jìn)入實(shí)用階段,七十年代初開始研究并制作降壓變壓器。過去十年,我國(guó)的許多工廠,大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究出各種降壓開關(guān)電源,20kHz左右的工作頻率,低于1000

W的輸出功率。以用于電腦,通訊,電視,并取得了不錯(cuò)的效果。80年代初,人們開始研制工作頻率為100

kHz至200KHz高頻開關(guān)電源。并且在90年代初就成功開發(fā)出,現(xiàn)在國(guó)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用的階段,并且進(jìn)一步的提高工作頻率。這些年來,雖然中國(guó)在開關(guān)穩(wěn)壓電源的開發(fā)和研究上經(jīng)過了許多努力,也取得了很不錯(cuò)的成果。但是和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比,還有很大的差距。我國(guó)對(duì)于開關(guān)電源的研究制作水平想要追上世界頂級(jí)的水平,半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步非常重要。.開關(guān)電源的基本原理及電路拓?fù)?.1開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源是通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,〔改變開關(guān)管關(guān)斷和接通時(shí)間的比例也稱作改變脈沖的占空比,根據(jù)負(fù)反饋來改變電源接通和斷開的占空比,從而維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。脈沖的占空比由開關(guān)電源的調(diào)制控制器來調(diào)節(jié)。開關(guān)電源有有四種調(diào)制方式：一、脈沖寬度調(diào)制<PWM>,即脈寬調(diào)制。特點(diǎn)：開關(guān)周期是固定值,由改變脈沖寬度從而改變占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。PWM開關(guān)電源應(yīng)用比較廣泛,因?yàn)槠湔伎毡日{(diào)節(jié)的圍比其它的調(diào)制式開關(guān)電源大。二、脈沖頻率調(diào)制<PFM>,即脈頻調(diào)制。特點(diǎn)：脈沖寬度是固定值,由調(diào)節(jié)開關(guān)的頻率從而改變占空比來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。三、脈沖密度調(diào)制〔PDM,即脈密調(diào)制。特點(diǎn)：脈沖寬度是固定值,由調(diào)節(jié)脈沖數(shù)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。四、混合調(diào)制,它是一和二兩種方式的組合,脈沖寬度和開關(guān)周期均都不固定,彼此均可調(diào)節(jié),包含了PWM控制器和PFM控制器。2.2開關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指開關(guān)電源的核心部分,可以控制,轉(zhuǎn)換,調(diào)節(jié)輸入電壓和功率的不同配置,其中主回路包含了開關(guān)電源中的濾波器,開關(guān)器件,脈沖轉(zhuǎn)換器、輸出整流器,儲(chǔ)能器件,等所有功率器件,以及供電輸入端和輸出負(fù)載端。而小型,可靠性高的DC-DC直流轉(zhuǎn)換電路是開關(guān)電源主要發(fā)展方向。DC-DC開關(guān)電源變換器可以分為四種：Boost變換器,Buck變換器,Buck-Boost變換器和Cuk變換器。2.2.1Boost變換器Boost變換器,如圖2.1所示,也稱升壓變換器。輸入電壓的極性和輸出電壓的極性相同,輸出電壓Uo大于輸入電壓Ui：,。工作原理：當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí),電流通過L平波,L通過輸入電源充電。當(dāng)VT斷開時(shí),電感L與電源同時(shí)向負(fù)載端放電,輸入電壓加上電感輸出電壓等于輸出電壓,所以有升壓的作用。圖2.1Boost變換電路特點(diǎn)：電壓較小,輸出紋波較大時(shí),由于輸出電流以脈沖輸出到負(fù)載和電容,會(huì)產(chǎn)生噪聲問題,一般用于功率較低配置。2.2.2Buck變換器Buck變換器,如圖2.2所示,也稱降壓變換器。輸入電壓的極性和輸出電壓的極性相同,輸出電壓Uo小于輸入電壓Ui：,。Uo為輸出電壓,Ui為輸入電壓,T為開關(guān)管的導(dǎo)通周期,Ton為開關(guān)管一周期的導(dǎo)通時(shí)間。圖2.2Buck變換電路工作原理：當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí),輸入電源經(jīng)過L平波和C濾波后向負(fù)載提電；當(dāng)VT斷開后,L通過二極管來續(xù)流,使負(fù)載端的電流不斷開,保持電流連續(xù)。特點(diǎn)：輸出電流是脈動(dòng)的,只能用于降壓,一般輸入端需要一個(gè)濾波器,適用于大電流、中功率配置。2.2.3Buck-Boost變換器Buck-Boost變換器,如圖2.3所示,也稱升降壓變換器。輸入電壓極性與輸出電壓極性相反,可升壓,可降壓。輸出電壓Uo和輸入電壓Ui的數(shù)量關(guān)系為：,。圖2.3Buck-Boost變換電路工作原理：在VT導(dǎo)通時(shí),電流經(jīng)過電感L,L儲(chǔ)存電能。當(dāng)VT斷開時(shí),電感向電容充電,同時(shí)向負(fù)載端放電。特點(diǎn)：由于來自電壓源的電流及經(jīng)過二極管送到輸出部分的電流均是脈動(dòng)的,所以很難控制其傳導(dǎo)的電磁干擾〔包括各種開關(guān)瞬間變化,一般用于幾A的功率電源。2.2.4Cuk變換器Cuk變換器,2.4所示,也稱串聯(lián)變換器。輸入電壓極性與輸出電壓極性相反,即可升壓,又可降壓,輸出電壓Uo和輸入電壓Ui的數(shù)量關(guān)系為：,。圖2.4Cuk變換電路工作原理：在VT導(dǎo)通時(shí),二極管VD反偏截止,此時(shí)電感L1儲(chǔ)存電能；C1的放電電流使L2儲(chǔ)能,并向負(fù)載提供電流。在VT斷開時(shí),VD正偏導(dǎo)通,這時(shí)輸入電源和L1向C1充電；同時(shí)L2的釋放能量的電流將維持負(fù)載端的電流。特點(diǎn)：電路相對(duì)來說比較復(fù)雜,但是紋波的情況得到改善,可用于高達(dá)kW級(jí)甚至更高功率。2.3降壓型DC/DC開關(guān)電源工作原理DC/DC轉(zhuǎn)換是將一個(gè)直流電壓變換成另一個(gè)穩(wěn)定的或者可調(diào)的穩(wěn)定直流電壓的過程,完成這一轉(zhuǎn)換過程的電路稱為DC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入與輸出電路之間的關(guān)系,DC/DC轉(zhuǎn)換器可以分成兩種：非隔離式與隔離式。降壓型DC/DC開關(guān)電源是非隔離式的。利用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)固定電壓輸出,但是不能實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓輸出。想要輸出電壓可調(diào),需要利用降壓斬波電路,把較高的直流電壓變成較低的直流電壓。Buck降壓斬波電路可以實(shí)現(xiàn)這一功能,通過調(diào)節(jié)控制脈沖可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓,降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路如圖2.5所示。圖2.5降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路其中,VT為開關(guān)管,控制電路決定著它的導(dǎo)通或者關(guān)斷；電感L和電容C為濾波元件。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí),輸入電壓Ui通過電感L向負(fù)載R提供電流,同時(shí)輸入電壓也在向電容C充電。此過程中,C及L中儲(chǔ)存能量。VT斷開時(shí),L中的電能繼續(xù)向負(fù)載R提供電流,當(dāng)輸出電壓Uo要減小時(shí),C中的能量也向R提供電流,由此來維持輸出電壓不變。二極管VD為續(xù)流二極管,以便構(gòu)成電路回路。輸出電壓被R1和R2分壓,同時(shí)把輸出電壓的信號(hào)反饋到控制電路,由控制電路控制改變VT的占空比,由此實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定的輸出電壓。為了讓負(fù)載電流連續(xù)不斷開并且讓脈動(dòng)小一些,一般串聯(lián)L相對(duì)較大的電感。等到一個(gè)周期T完結(jié),再控制VT導(dǎo)通,循環(huán)上一周期T的過程。當(dāng)電路運(yùn)行處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),一個(gè)周期的負(fù)載電流的初值等于終值。負(fù)載電壓平均值:<2-1>式2-1中為VT處于導(dǎo)通的時(shí)間,T為開關(guān)管控制信號(hào)的周期,Uo為輸出電壓,Ui為輸入電壓。α為控制信號(hào)的占空比。該式可以看出,α最大為1,減小α,Uo總是小于Ui,所以,稱之為降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為：<2-2>圖2.6負(fù)載電流斷流時(shí)波形如果負(fù)載中的電感值比較小,則開關(guān)管斷開后,負(fù)載電流會(huì)在一個(gè)周期出現(xiàn)斷流的情況,因此降壓型DC/DC開關(guān)電源有兩種工作模式,分別是非連續(xù)電流模式〔DCM與連續(xù)電流模式〔CCM>,波形圖如圖2.6與圖2.7所示。圖2.7負(fù)載電流連續(xù)時(shí)波形.方案設(shè)計(jì)及硬件選型3.1設(shè)計(jì)要求研究開關(guān)電源的工作原理,基于模擬電路或單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一款20V輸出DC-DC型開關(guān)電源,要求設(shè)計(jì)出電路方案,利用仿真平臺(tái)驗(yàn)證方案的可行性,并制作實(shí)物樣機(jī)。功能需求：DC-DC開關(guān)電源輸出電壓20V,并數(shù)碼顯示輸出電壓。性能參數(shù)：1、開關(guān)電源最大輸出功率不小于10W。2、利用數(shù)碼管或液晶屏顯示輸出電壓。3、輸出電壓紋波不大于100mv。3.2整體設(shè)計(jì)方案由220V交流電壓經(jīng)變壓器和整流濾波后得到直流的輸入電壓24V；將輸入電壓輸入Buck降壓電路,由控制電路提供PWM控制信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止,用來調(diào)節(jié)直流電壓的占空比,最后得到穩(wěn)定或者可調(diào)的直流輸出電壓。輸出電壓圍為：0V至20V直流電壓。圖3.1整體設(shè)計(jì)框圖通過對(duì)輸出電壓的采樣,比較和放大,來調(diào)節(jié)脈沖的寬度,最后達(dá)到輸出穩(wěn)定的直流電壓的目的。同時(shí)采用A/D轉(zhuǎn)換器將輸出電壓送LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。.3.3LM3583.3.1LM358簡(jiǎn)介L(zhǎng)M358是雙運(yùn)算放大器。LM358部有兩個(gè)獨(dú)立的,部頻率補(bǔ)償,高增益的雙運(yùn)算放大器,電壓圍比較寬的單電源比較適合使用,亦或是雙電源。在正常的工作條件下,電源電流與電源電壓沒有聯(lián)系。它的使用圍有:音頻放大器,直流增益模組,傳感放大器,DC增益部件,工業(yè)控制和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。圖3.2塑封引腳圖引腳功能.圖3.3部電路原理圖3.4IR21033.4.1IR2103簡(jiǎn)介半橋驅(qū)動(dòng)器IR2103是高電壓,高速功率MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)與依賴的高和低側(cè)參考輸出通道。專門的HVIC和無影響鎖存CMOS技術(shù)確保了單塊集成電路結(jié)構(gòu)的耐用。邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)CMOS輸出或輸入通道兼容,下降到3.3V邏輯。輸出驅(qū)動(dòng)器具有高脈沖電流緩沖級(jí)設(shè)計(jì)的最小驅(qū)動(dòng)器交叉?zhèn)鲗?dǎo)。懸浮通道可以驅(qū)動(dòng)高側(cè)的配置高達(dá)600V的功率MOSFET或者IGBT。圖3.4典型連接.特點(diǎn)：交叉?zhèn)鲗?dǎo)預(yù)防邏輯,柵極驅(qū)動(dòng)電壓圍為10.0V到20.0V,3.3V,5.0V和15.0V的邏輯兼容,+5.0V的負(fù)瞬態(tài)電壓DV/dt免疫,匹配的兩個(gè)通道的傳播延遲,部設(shè)置死區(qū)時(shí)間,相高側(cè)輸出顯HINinput,低端相輸出OUT與LIN輸入。3.4.2IR2103<S>功能框圖3.5功能框圖3.4.3IR2103引腳圖3.6IR2103引腳圖3.5STC12C5A60S2單片機(jī)介紹3.5.1STC12C5A60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介在許多的51系列單片機(jī)中,要算國(guó)STC

公司的1T增強(qiáng)系列最具有競(jìng)爭(zhēng)力,和傳統(tǒng)8051指令、管腳完全兼容,而且STC單片機(jī)允許編寫串口程序,STC單片機(jī)對(duì)于開發(fā)的設(shè)備基本沒什么要求,開發(fā)的時(shí)間也不需要太多。寫入單片機(jī)里面的程序還會(huì)有加密保護(hù),讓開發(fā)人員不用擔(dān)心勞動(dòng)成果被竊取。STC12C5A60S2屬于8051系列單片機(jī),與普通的51單片機(jī)對(duì)比有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、有WATCH_DOG。2、有8路10位AD。3、有PWM控制功能,比普通的51單片機(jī)多兩個(gè)定時(shí)器。4、有EEPROM。5、有SPI接口。6、相比51單片機(jī)有1K的擴(kuò)RAM。7、同樣晶振的情況下,速度是普通51單片機(jī)的8~12倍。8、多一個(gè)串口。9、IO口可以定義,有四種狀態(tài)。10、中斷優(yōu)先級(jí)有四種狀態(tài)可定義。3.3.2STC12C5A60S2單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)STC12C5A60S2單片機(jī)中有SPI接口,片R/C振蕩器,看門狗,定時(shí)器,UART串口,外部晶體振蕩電路,串口2,I/O接口,高速A/D轉(zhuǎn)換,程序存儲(chǔ)器<Flash>,PWM/PCA,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器<SRAM>及中央處理器<CPU>等模塊。STC12C5A60S2單片機(jī)幾乎包括了數(shù)據(jù)采集和控制中需要用到的所有模塊,可以看做一個(gè)片上小系統(tǒng)。圖3.72STC12C5A60S2單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)框圖圖3.8管腳圖3.3.3STC12C5A60S2單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：STC12C5A60S2的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口<P1.7-P1.0>,有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器,速度可以達(dá)到250KHz。8路電壓輸入型A/D,可做頻譜檢測(cè),電池電壓檢測(cè),按鍵掃描,溫度檢測(cè)等。上電復(fù)位后,弱上拉型I/O口為P1口,如若要將8路中的一路設(shè)為A/D轉(zhuǎn)換,可使用軟件設(shè)置,而其他剩余的口可繼續(xù)用作I/O口。圖3.9STC12C5A60S2單片機(jī)ADC的結(jié)構(gòu)圖STC12C5A60S2單片機(jī)ADC部存在多個(gè)單元,包括比較器,轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器,多路選擇開關(guān),10位DAC和逐次比較寄存器所構(gòu)成的。..第四章系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)4.1整流濾波電路圖4.1整流濾波電路圖220V交流電壓通過電源變壓器變?yōu)?4V交流電壓。24V交流電壓經(jīng)過整流濾波電路轉(zhuǎn)換成24V直流電壓。最終220V的交流輸入電壓變?yōu)?4V直流輸入電壓進(jìn)入DC-DC轉(zhuǎn)換電路中。4.2BUCK主原理電路圖4.2BUCK原理電路圖BUCK電路圖如圖4.2所示,C13為輸入濾波電容,TV1為開關(guān)MOS管,VD1為續(xù)流二極管,L1為電感,C15為輸出濾波電容,R22、R21為輸出電壓的采樣電阻,R23為輸出電流采樣電阻,該電路圖是通過PWM波控制TV1開關(guān)MOS管的開關(guān),并采樣輸出電壓來調(diào)整PWM占空比的變化來達(dá)到使輸出電壓穩(wěn)定。4.2.1開關(guān)管及續(xù)流二極管選擇根據(jù)選擇開關(guān)管MOS額定電壓至少比VINMAX大20%的原則,計(jì)算得選擇MOS管的電壓額定值應(yīng)大于VDSS=VINMAX*<1+20%>=24<1+20%>=28.8V。根據(jù)選擇開關(guān)管MOS額定電流至少比IO大20%的原則,計(jì)算得選擇MOS管的電流額定值應(yīng)大于I=IO*<1+20%>=1<1+20%>A=1.2A?？梢赃x擇SI4840D開關(guān)MOS管,其額定電壓電流為40V/14A,導(dǎo)通電阻RDS低至0.009,這樣低的電阻大降低了功耗。同樣的原理,肖特基本二極管額定電壓、電流至少比VINMAX、IO大20%,可計(jì)算得所選擇的續(xù)流二極管的額定電壓、電流應(yīng)大于28.8V、1.2A。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,可采用SR203做為續(xù)流二極管,其參數(shù)為：VRM=30V,IO=2A,VF1=0.5V。4.2.2電感設(shè)計(jì)計(jì)算所需電感量基本的電感與電壓電流關(guān)系：<4-1>Q導(dǎo)通期間〔忽略Q的飽和壓降：<4-2>Q關(guān)斷期間〔忽略D的壓降：<4-3>輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系：<4-5>所需的電感量為：μH<4-6>式中,VO輸出額定電壓20V；TOFF一周期開關(guān)關(guān)斷時(shí)間,開關(guān)頻率為25KHz,而最小占空比為0.278,所以；為輸出電流紋波,取經(jīng)驗(yàn)值0.3。4.2.3濾波電容參數(shù)計(jì)算1.輸入濾波電容由于電路的輸入電源會(huì)有一定的紋波,同時(shí)會(huì)采到開關(guān)器件的影響,為了減小電壓紋波,在電源的輸入端加一個(gè)470μF的電解電容。2.輸出濾波電容占空比D計(jì)算： D==<4-7>輸出電容C的選定取決于對(duì)輸出紋波電壓的要求,濾波電容量應(yīng)滿足下式：<4-8>式中：L：電感〔單位H；f：開關(guān)頻率,取25KHz；D:占空比。4.3采樣電路4.3.1電壓采樣圖4.2中R22,R21電壓采樣電阻采樣輸出電壓,R22=10K,R21=2.2K,根據(jù)分壓原理,采樣電壓為:V1=V0=3.6V<4-9>式中V1為采樣電壓,VO為額定輸出電壓20V。這樣,通過采樣電壓進(jìn)行PI控制就可以使輸出穩(wěn)定在額定值,在圖4.3中運(yùn)放U6A用跟隨器接法起到一定隔離作用,采樣電壓經(jīng)濾波后通過AD采集送到STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行處理,并對(duì)MOS的驅(qū)動(dòng)PWM進(jìn)行調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)電路的閉環(huán)控制。圖4.3采樣電路圖4.3.2電流采樣R23為電流采樣電阻,取0.05。當(dāng)輸出電流為1A時(shí),R3、R4的采樣電壓Vc為0.05V,這個(gè)電壓太小,對(duì)于有10位AD的M0,控制精度是不夠的,為了提高精度,。U5B組成放大器,根據(jù)公式：Vop=Vc<1+>=69Vc<4-10>可計(jì)算得電流采樣電阻的電壓VC被放大了69倍,達(dá)到3V級(jí)別。電流采樣電路中也用到了和電壓采樣一樣的低通濾波器。4.4驅(qū)動(dòng)電路圖4.4驅(qū)動(dòng)電路圖這里選用型號(hào)為IR2103的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)MOS管,其高端輸出電壓：<4-11>最大輸入端電壓：提供輸出電流：圖4.4為IR2103組成的MOS管驅(qū)動(dòng)電路,2腳接STC12C5A60S2單片機(jī)的PWM引腳,7腳連到MOS管的G極,6腳VS連到MOS管的S極,這樣通過IR2103的自舉能力,就可以起到可靠驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管的作用。圖中D3為1N4148消特基快恢復(fù)二極管,其作用是給驅(qū)動(dòng)提供電源并防止電流倒灌。電容C7、C4為濾波電容,值取10μF。4.5顯示電路圖4.5顯示電路圖圖4.6數(shù)碼管管腳圖本次設(shè)計(jì)選擇用單片機(jī)控制系統(tǒng)來進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,把輸出電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)顯示出來。本次設(shè)計(jì)采用的數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示,這個(gè)方式一般將多個(gè)數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g<稱為段碼都連在一起,而各數(shù)碼管的位碼相互獨(dú)立。某一時(shí)刻,當(dāng)字形碼從單片機(jī)輸出后,所有的數(shù)碼管都收到了信號(hào),此時(shí),將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開,該位元就會(huì)顯出字形,沒有選通的數(shù)碼管則不會(huì)亮。以此類推,就可以使每個(gè)數(shù)碼管顯示出要顯示的字符。雖然每個(gè)字符不是在同一時(shí)刻顯示,由于人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng),只要每個(gè)數(shù)碼管顯示的間隔有足夠短,人看起來感覺就像是同時(shí)顯示的一樣。動(dòng)態(tài)顯示得優(yōu)點(diǎn)是,較節(jié)省I/O口,硬件比靜態(tài)顯示更簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是,顯示位數(shù)較多時(shí),CPU逐次掃描需要用較多的時(shí)間,而且亮度不如靜態(tài)顯示。..系統(tǒng)仿真及調(diào)試5.1軟件仿真調(diào)試圖5.1BUCK電路仿真圖圖5.2BUCK電路仿真驅(qū)動(dòng)波形圖圖5.3BUCK電路仿真輸出波形圖圖5.4單片機(jī)數(shù)碼管顯示按鍵仿真根據(jù)原理圖進(jìn)行仿真圖的繪制,運(yùn)行仿真圖,驅(qū)動(dòng)波形和輸出波形都正常,輸出電壓在圍可調(diào),經(jīng)仿真證實(shí)電路原理圖符合設(shè)計(jì)要求。5.2實(shí)物調(diào)試測(cè)試方法：將開關(guān)電源電路板放在地上,插上電源,查看數(shù)碼管顯示的輸出電壓,用萬用表測(cè)輸出電壓是否和數(shù)碼管顯示的電壓相同。測(cè)試結(jié)果：隨著調(diào)試,電壓從0V至20V遞增數(shù)碼管都正確的顯示出實(shí)際的輸出電壓。.總結(jié)經(jīng)過這段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì),從最初的資料查找、方案設(shè)計(jì),經(jīng)過最基本的元器件購(gòu)買,基本電路設(shè)計(jì),再到軟件設(shè)計(jì),硬件的焊接,調(diào)試過程,測(cè)試,我學(xué)習(xí)了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。從整流濾波電路,到BUCK降壓電路,再到51單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)的控制,最好數(shù)碼管的顯示電路。通過該作品的設(shè)計(jì)制作,使我更好的了解開關(guān)電源的各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并熟悉了單片機(jī)的一些基本知識(shí),程序中對(duì)各種任務(wù)的合理安排,最終很好的完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),自己的動(dòng)手和設(shè)計(jì)能力也提高了不少,更好的熟悉的了解了一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程。測(cè)試結(jié)果表明,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)要求,基于單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一款20V輸出DC-DC型開關(guān)電源,并數(shù)碼顯示輸出電壓。這次設(shè)計(jì)讓我印象深刻,也讓我受益匪淺,通過設(shè)計(jì)的不斷更進(jìn),發(fā)現(xiàn)了自己許多地方不懂,所以我一直在翻閱以前的數(shù)據(jù)需找資料,同時(shí)也在網(wǎng)絡(luò)上查找相關(guān)的知識(shí),讓自己具備更強(qiáng)大的理論基礎(chǔ),麻雀雖小五臟俱全,雖然這個(gè)設(shè)計(jì)不是一個(gè)很大的項(xiàng)目,但是其中蘊(yùn)含的知識(shí)點(diǎn)卻十分豐富,在設(shè)計(jì)與制作的過程中不但鞏固了自己的專業(yè)知識(shí),還學(xué)到了很多新的知識(shí),對(duì)自己來說是很大的提升。.參考文獻(xiàn)[1]龍文.開關(guān)電源技術(shù)的最新進(jìn)展[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2006,9〔8：53-57.

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