開關電源顧名思義，開關電源便是使用半導體開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），經過控制電路，使半導體開關器件不停地“導通”和“關閉”，讓半導體開關器件對輸入的電壓進行脈沖調制，從而完成直流到交流、直流到直流電壓變換，和輸出電壓可調和自動穩壓。

開關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穩壓電源。另外，開關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；后兩種工作模式經常用于開關穩壓電源

上個世紀的50年代初，美國宇航局為了搭載火箭，開關電源誕生了，這便是開關電源誕生的起源，此開關電源以小型化、輕巧化為目標。在歷史進程中進行了近半個多世紀后，開關電源技術越來越成熟，更因具備了性能穩定、小、發熱較低、輕、轉換效率高等優點慢慢的在取代了傳統電源技術下所制造的不間斷工作電源，并在電子設備等各領域有了廣泛的應用。最終在80年代，率先完成了大部分電子產品的電源換代，同時也完成了全面開關電源普及化。在到來的20世紀90年代，開關電源更是進入了快速發展的黃金時間，家電、電子設備都得到更廣泛的應用。又經歷了幾十年的努力下，現在的開關電源技術都有了技術性的重大突破與發展。更多新技術的發現與開發將當代開關電源又帶上了另一個全新的時期，在高新技術領域的應用更是推動了高新技術產品的發展，其中以其小型化、簡便化的特征尤為突出。

綜上所述，開關電源普遍存在以下四大方面的問題：

1）多數使用模擬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）多數開關電源為固定輸出；

4）可調的開關電源只能通過電位器模擬調整，不能直接得到準確的預設電壓。

為了設計一種更加智能化的開關電源，必須進行更深入的開關電源機理研究，下文字闡述了具體的研究內容以及研究方法。

設計出一種基于STC系列51單片機的BUCK型直流降壓開關電源是本課題所要研究的主要內容。本系統需要達到的預期目標是：在系統完成后，系統能預置電壓，其步進的電壓為1V，輸出的電壓的限度為0V~10V，輸出電流為0~1A。同時液晶顯示屏上可以顯示出所預置的電壓，另有實時的輸入輸出電壓，實時的電流，來使得本系統可以讓調整速度加快、提升精準度，同時也能使得電壓和負載的調整率降低，提升系統的效率，不在附加額外的電源板，最后還可以讓輸出的紋波變小等。

直流/直流變換是將固有的直流電壓轉換成可調整的電壓，又叫做直流斬波。它有多種拓撲結構，本系統應用的是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。

                              

圖2-1 BUCK電路拓撲

當Mos管或者三級管導通很長很長時間后，所有的元器件均處在一種理想狀態的情況下，此時電容的電壓會等于輸入的電壓。在這樣的條件下，我們使用BUCK變換器的充電和放電這兩個階段來對這個電路進行說明：

當BUCK變壓器處于充電的過程時，將開關閉合，此時三級管處于導通的狀態，可以用一條導線來替代，替代后的等效圖如下。當輸入的電壓經過電感這時刻，二級管因為反接，所以沒起到作用，這里刪去。再加上輸入的是直流，因此電感發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系，電感相當于一個恒定電流源，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。

圖2-2  BUCK變換器充電階段等效圖

當BUCK變壓器處于放電的過程中，開關管子已經斷開，此時的三級管處于截止狀態，這里把它拿掉，等效電路圖如下。在開關斷開的時間里，因為電感的保持電流不變特征，電感上的電感電流不會一下子下降到零，而是把充電完成后所累積的電流值慢慢下降到0。在這個過程中，因為原來的電路已經斷開了，因此電感沿著之前的方向，經過二極管D形成一個新的回路的，即流過電容對電容進行充電，從而保證了負載端獲得連續的不間斷的電流。BUCK變換器放電階段等效圖如圖2-3所示。

圖2-3  BUCK變換器放電階段等效圖

綜上所述，BUCK變換器的升壓過程便是電感能量儲存和釋放的過程。在充電的過程時。電感通過流過它自身的電流不斷儲存能量，在放電的過程時，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持續不間斷的電流放電，假如這個通斷的過程不斷的被重復，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。

波形如下所示。

  導通時Q電流

閉合時C電流

L的電流和輸出電流的關系：

   

輸出電壓與輸入電壓的關系

本設計采用串連型開關電源，其穩壓原理框圖如圖2-4所示。在MOS管導通的時刻，電感L將流過的電流轉換成磁能進行能量儲存，電容C將流過電感L的部分電流轉換成電荷儲存。在MOS管關斷的時刻，電感L發生反向電動勢，輸送給負載R并與續流二極管D組成回路，同時電容C將電荷轉換成電流向負載供電。

經過不斷導通與關斷MOS管，使uo發生脈動電壓，經過LC濾波電路使脈動電壓轉變成較穩定的直流電壓Uo輸送給負載，輸出電壓Uo的電壓值與MOS管在一個周期內導通的時間成正比。當外部因素使輸出電壓或電流發生變化時，經過單片機自帶的10位ADC實時采集輸出的電壓和電流，實時調整開關K導通的占空比，從而組成閉環電壓控制電路，使輸出電壓能達到穩定。

圖2-4開關電源模塊穩壓原理

采用輸入電壓25V，輸出電壓最大為10V，根據推導公式如式（2-1）所示：此中Ton為PWM一個周期內導通時間、Ui為輸入電壓、Uo為輸出電壓、Ud為肖特基二極管的電壓降（約等于0.6V）、Io為一個直流/直流模塊的輸出電流。

                    (2-1)

PWM的占空比為D:

                                   (2-2)

代入數據后得到

                                       (2-3)

              一般而言，開關電源的頻率越高，電感的感量可以越小，效率也可以越高。此單片機能輸出的PWM最高頻率為47KHZ，所以本設計選擇讓單片機輸出47KHZ的PWM。那么f=47Khz導通時間Ton為

                (2-4)

電感量L為：

                                (2-5)

因此將各參數代入式（2-5）得式（2-6）：

            (2-6)

              計算得到32uH電感，這里采用5倍以上余量，采用150uH的電感，可降低電感溫度。另外本設計采用銅線和磁芯做成的電感以增大電感的儲能能量提升供電的效率。

              按照串連型開關電源的電容推導公式如式（2-7）所示，此中C為電容容量、Io為一個模塊個輸出電壓、△Up-p為輸出紋波電壓，T為PWM一個周期的時間。

                              (2-7)

              輸出電壓最大為10V，我們設定紋波電壓為0.1V,將各參數代入式（2-7）得式（2-8）結果：

                        (2-8)

              本設計采用2個1000   的電容，達到降低紋波電壓的目的。

STC12C5A60S2單片機，在指令代碼的方面可以完全兼容傳統8051,同時它的速度比傳統的8051單片機要快8-12倍，體現了其高速度的一面。這系列單片機其里面有專用的集成復位電路，另有8路高速的10位ADC轉換，同時還兼有2路的PWM等，它的功能之強大遠超傳統的8051系列。

圖3-2 STC12C5A60S2單片機實物圖

線性降壓芯片7805。這個穩壓IC需要的外圍元件很少，IC內部還有過流、過熱及調整管的保護措施，不但價廉且輸出電壓很穩定。78系列的穩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。其應用電路圖如圖3-4所示。

圖3-4  7805應用電路

方案一：霍爾電流傳感器。電流流過霍爾傳感器的線圈發生磁場，磁場隨電流的大小變化而變化，磁場匯集在磁環內，霍爾元件輸出跟著磁場變化的電壓信號。經過檢測電壓值，能得到電流的大小。

方案二：電阻分壓檢測電路。經過在輸出回路中串連采樣電阻，將經過電阻的電流轉換成兩端的電壓，經過檢測電壓值從而獲得電流值。該檢測方式電路和程序控制都比較簡潔。

要完成對輸出電壓和電流的閉環控制，務必對輸出電流和電壓進行采樣反饋。本設計采用如下圖所示的電流電壓檢測電路。為了便于MCU采集，分壓電阻發生的電壓經過由LM358組成的同相比例放大器放大后，輸入到MCU的ADC端口。

LM358內部集成的是雙運放，單電源和雙電源都能使其工作。

圖3-5 Lm358引腳圖及引腳功能

要完成對輸出電壓和電流的閉環控制，務必對輸出電流經過運放放大后進行采樣反饋。本設計采用如圖3-6所示的電流檢測電路。

圖3-6 電流檢測電路

輸出最大電流為2A。本設計采用電阻分壓的式樣對輸出的電壓進行實時檢測，因為采樣電壓直接輸送給單片機10位ADC進行檢測，單片機供電電源為5V，所以其內部自帶的檢測的最高電壓也為5V， 這個電路中，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：

                     (3-1)

2A電流經過0.02Ω電阻得到的電壓為

                     (3-2)

該電壓要經過放大后才能更容易被單片機檢測到，在這個應用中運放的放大倍數應該小于

                        (3-3)

這里選擇R12和R10為33K和1K，放大倍數為

                        (3-4)

因為   >   , 符合設計要求。

即當電流為2A時，運放輸出電壓為：

                     (3-5)

輸入電壓最大為10V，而單片機的采樣電壓最高位5V，故電壓采樣電阻比例應該小于

                            (3-6)

這里取R1和R5是47K 和10K，

                        (3-7)

因為   1<   2,所以滿足條件。

當10V輸出時，單片機檢測到的電壓是，

                     (3-8)

電壓分壓檢測電路如圖3-7所示。

圖3-7 電壓檢測電路

目前單按鍵這種模式的鍵盤使用方便，響應的快并且接口還簡潔。綜合以上本系統采用的是非編碼式鍵盤。本系統設計應用了3 個按鍵，按照軟件來定義它的功能，鍵盤與單片機的P2.3、P2.2、P2.1鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統提供操作人員干預命令的接口設備。

S1為開關按鍵，按一下即有輸出，按第二下即輸出停止，如此循環

S2為輸出電流增加。

S3為輸出電壓減少。

如圖3-8所示

                        

圖3-8 按鍵電路

系統采樣1602液晶顯示。液晶驅動電流較小，能顯示較大信息量，無需增外設電路。

能顯示多行數據，方便用戶進行更多的操作。

能顯示輸入輸出的實時電壓，輸出的實時電流，預設的輸出電壓。如圖3-9所示

圖3-9 1602液晶顯示

綜上所述，本開關電源設計采用STC12C5A60S2單片機發生47KHZ的PWM脈沖信號，經過IR2104控制MOS，從而控制整個BUCK（降壓式變換）電路。單片機內部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測電流實時反饋電流和電壓數值，并由此調整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環控制系統。按鍵能設置輸出電流從0.2A到2A，以0.01A遞增，輸出最大10V，液晶能顯示實時輸出電流與電壓。總體電路圖如3-10所示。

圖3-10 總體電路圖